Metodika prepodavaniya astronomii

---

<< Predydushaya

Soderzhanie

Sleduyushaya >>

Metodika provedeniya 4 uroka
"Osnovy kosmonavtiki"

Cel' uroka: formirovanie znanii o teoreticheskih i prakticheskih osnovah kosmonavtiki.

Zadachi obucheniya:

Obsheobrazovatel'nye: formirovanie ponyatii:

- o teoreticheskih i prakticheskih predposylkah, zadachah i metodah kosmicheskih issledovanii;
- o svyazi kosmonavtiki s astronomiei, fizikoi i drugimi estestvenno-matematicheskimi naukami i s tehnikoi;
- o sredstvah kosmonavtiki - kosmicheskih letatel'nyh apparatah (KLA);
- ob osnovnyh tipah reaktivnyh raketnyh dvigatelei (RDTT, ZhRD, ERD, YaRD);
- o traektoriyah, skorostyah i osobennostyah dvizheniya KLA, osobennostyah mezhplanetnoi i mezhzvezdnoi navigacii.

Vospitatel'nye: formirovanie nauchnogo mirovozzreniya uchashihsya v hode znakomstva s istoriei chelovecheskogo poznaniya. Patrioticheskoe vospitanie pri oznakomlenii s vydayusheisya rol'yu rossiiskoi nauki i tehniki v razvitii kosmonavtiki. Politehnicheskoe obrazovanie i trudovoe vospitanie pri izlozhenii svedenii o prakticheskom primenenii kosmonavtiki.

Razvivayushie: formirovanie umenii reshat' zadachi na primenenie zakonov dvizheniya kosmicheskih tel, formul Ciolkovskogo i kosmicheskih skorostei k opisaniyu dvizheniya KLA.

Ucheniki dolzhny znat':

- o kosmonavtike (predmete, zadache i metodah kosmonavticheskih issledovanii, svyazi ee s drugimi naukami);
- o sredstvah kosmonavtiki: osnovnyh tipah KLA, ih ustroistve i harakteristikah;
- ob osnovnyh tipah raketnyh dvigatelei, ih ustroistve i harakteristikah
- formulu Ciolkovskogo, formuly i znacheniya I, II, III kosmicheskih skorostei (dlya Zemli);
- o traektoriyah poleta KLA i svyazi mezhdu formoi ih orbit i skorost'yu dvizheniya.

Ucheniki dolzhny umet': reshat' zadachi na primenenie formuly Ciolkovskogo i zakonov dvizheniya kosmicheskih tel dlya rascheta harakteristik dvizheniya KLA.

Naglyadnye posobiya i demonstracii:

Diafil'my: "Elementy mehaniki kosmicheskih poletov".
Kinofil'my: "Iskusstvennye sputniki Zemli"; "Kosmicheskie polety".
Tablicy: "Kosmicheskie polety"; "Kosmicheskie issledovaniya".
Pribory i instrumenty: pribor dlya demonstracii dvizheniya ISZ.

Zadanie na dom:

1) Izuchit' materiala uchebnikov:
- B.A. Voroncov-Vel'yaminova: §§ 14 (4), 16 (4).
- E.P. Levitana: §§ 7-11 (povtorenie).
- A.V. Zasova, E.V. Kononovicha: § 11; uprazhneniya 11 (3, 4)

2) Vypolnit' zadaniya iz sbornika zadach Voroncova-Vel'yaminova B.A. [28]: 174; 179; 180; 186.

3) Podgotovit' doklady i soobsheniya k uroku "Istoriya kosmonavtiki".

Plan uroka

Etapy uroka	Soderzhanie	Metody izlozheniya	Vremya, min
1	Aktualizaciya temy zanyatiya	Rasskaz	3
2	Formirovanie ponyatii o teoreticheskih i prakticheskih predposylkah, zadachah i metodah kosmonavticheskih issledovanii	Lekciya	7-10
3	Formirovanie ponyatii o sredstvah kosmonavtiki i osnovnyh tipah raketnyh dvigatelei	Lekciya	10-12
5	Formirovanie ponyatii o traektoriyah, skorostyah i osobennostyah dvizheniya KLA, osobennostyah mezhplanetnoi i mezhzvezdnoi navigacii	Lekciya	10-12
6	Reshenie zadach		10
7	Obobshenie proidennogo materiala, podvedenie itogov uroka, domashnee zadanie		3

Metodika izlozheniya materiala

Dannyi urok luchshe vsego provodit' v forme lekcii, v hode kotoroi osushestvlyaetsya sistematizacii, obobshenie i razvitie "donauchnyh" kosmonavticheskih znanii uchenikov i svedenii po kosmonavtike i reaktivnomu dvizheniyu, izuchennyh imi v kursah prirodovedeniya, estestvoznaniya i fiziki za ves' period shkol'nogo obucheniya. Avtory posobiya [167] predlagayut ogranichit'sya razborom voprosov ob orbitah i skorosti ISZ, poletah KLA k Lune i prosteishih traektoriyah mezhplanetnyh pereletov. My schitaem neobhodimym dopolnit' i rasshirit' etot material, teoretizirovat' ego tak, chtoby v rezul'tate obucheniya shkol'nik obrel celostnoe ponyatie o teoreticheskih i prakticheskih osnovah kosmonavtiki. Izlozhenie materiala dolzhno opirat'sya na ranee izuchennyi material po fizike (osnovy klassicheskoi mehaniki: zakony N'yutona, zakon Vsemirnogo tyagoteniya, zakon sohraneniya impul'sa, reaktivnoe dvizhenie) i astronomii (astrometrii i nebesnoi mehaniki: zakony Keplera, svedeniya o kosmicheskih skorostyah, orbitah kosmicheskih tel i vozmusheniyah). Patrioticheskii aspekt vospitaniya realizuetsya v akcentirovanii vnimaniya uchashihsya na dostizheniyah otechestvennoi nauki i tehniki, vklade rossiiskih uchenyh v vozniknovenie, stanovlenie i razvitie raketostroeniya i kosmonavtiki. Istoricheskih podrobnostei sleduet izbegat', otkladyvaya ih na posleduyushee zanyatie.

Kosmonavtika - polety v kosmicheskom prostranstve; sovokupnost' otraslei nauki i tehniki, obespechivayushih issledovanie i osvoenie kosmicheskogo prostranstva i kosmicheskih ob'ektov i ih sistem s pomosh'yu razlichnyh kosmicheskih letatel'nyh apparatov (KLA): raket, iskusstvennyh sputnikov Zemli (ISZ), avtomaticheskih mezhplanetnyh stancii (AMS), kosmicheskih korablei (KK), pilotiruemyh ili upravlyaemyh s Zemli.

Teoreticheskii fundament kosmonavtiki obrazuyut:

1. Astronomiya (astrometriya, nebesnaya mehanika i astrofizika).

2. Teoriya kosmicheskih poletov - kosmodinamika - prikladnaya chast' nebesnoi mehaniki, issleduyushaya traektorii poleta, parametry orbit KLA i t. d.

3. Raketnaya tehnika, obespechivayushaya reshenie nauchno-tehnicheskih problem sozdaniya kosmicheskih raket, dvigatelei, sistem upravleniya, svyazi i peredachi informacii, nauchnogo oborudovaniya i t.d.

4. Kosmicheskaya biologiya i medicina.

Osnovnym i vplot' do nastoyashego vremeni edinstvennym sredstvom peredvizheniya v kosmicheskom prostranstve yavlyaetsya raketa. Zakony raketnogo dvizheniya vyvodyatsya na osnove zakonov klassicheskoi mehaniki: kinematiki i dinamiki (II zakona N'yutona, zakona sohraneniya impul'sa i t. d.).

Formula K. E. Ciolkovskogo opisyvaet dvizhenie rakety v kosmicheskom prostranstve bez ucheta deistviya vneshnih uslovii i harakterizuet energeticheskie resursy rakety:

, - chislo Ciolkovskogo, gde m₀ - nachal'naya, m_k - konechnaya massy rakety, w - skorost' istecheniya otbrasyvaemoi massy po otnosheniyu k rakete (skorost' reaktivnoi strui), g - uskorenie svobodnogo padeniya.

Ris. 73

Raketa-nositel' (RN) - mnogostupenchataya ballisticheskaya raketa dlya vyvedeniya v kosmos poleznogo gruza (ISZ, AMS, KK i dr.). Raketonositelyami obychno yavlyayutsya 2-4 stupenchatye rakety, soobshayushie poleznomu gruzu I - II kosmicheskuyu skorost' (ris. 73).

Raketnyi dvigatel' (RD) - reaktivnyi dvigatel', prednaznachennyi dlya raket i ne ispol'zuyushii dlya raboty okruzhayushuyu sredu. V RD proishodit ne tol'ko preobrazovanie podvodimoi k dvigatelyu energii (himicheskoi, solnechnoi, yadernoi i t. d.) v kineticheskuyu energiyu dvizheniya rabochego tela dvigatelya, no i neposredstvenno sozdaetsya dvizhushaya sila tyagi v vide reakcii strui vytekayushego iz dvigatelya rabochego tela. Takim obrazom RD predstavlyaet soboi kak by sochetanie sobstvenno dvigatelya i dvizhitelya.

Udel'naya tyaga RD opredelyaetsya formuloi: .

V nastoyashee vremya shirokoe primenenie nashli tol'ko himicheskie RD.

Raketnyi dvigatel' tverdogo topliva (RDTT) primenyaetsya okolo 2000 let - shiroko v raketnoi artillerii i ogranichenno v kosmonavtike. Diapazon tyag RDTT kolebletsya ot gramm do soten tonn (dlya moshnyh RD). Toplivo v vide zaryadov (vnachale - dymnogo poroha, s konca XIX veka - bezdymnogo poroha, s serediny HH veka - special'nye sostavy) polnost'yu pomeshaetsya v kameru sgoraniya. Posle zapuska gorenie obychno prodolzhaetsya do polnogo vygoraniya topliva, izmenenie tyagi ne reguliruetsya. Po konstrukcii i ekspluatacii naibolee prost, no imeet ryad nedostatkov: nizkaya udel'naya tyaga, odnokratnost' zapuska i t. d. Ustanavlivaetsya na nekotoryh RN SShA ("Skaut", "Tor", "Titan"), Francii i Yaponii. Primenyaetsya takzhe v kachestve tormoznyh, spasatel'nyh, korrektiruyushih i t. d. sistem (ris. 74).

Zhidkostnyi raketnyi dvigatel' (ZhRD) - RD, rabotayushii na zhidkom raketnom toplive. Predlozhen K. E. Ciolkovskim v 1903 godu. Osnovnoi dvigatel' sovremennoi kosmicheskoi tehniki. Tyaga ot dolei gramma do soten tonn. Po naznacheniyu ZhRD delyatsya na osnovnye (marshevye), tormoznye, korrektiruyushie i t. d. V kachestve topliva primenyayut: iz okislitelei - kislorod zhidkii, chetyrehokis' azota, perekis' vodoroda; iz goryuchih - kerosin, gidrazin, ammiak zhidkii, vodorod zhidkii. Naibolee perspektivny sochetanie zhidkih vodoroda i kisloroda (RN "Energiya") (ris. 75).

Dlya uvelicheniya udel'noi tyagi perspektivno ispol'zovanie yadernoi energii. Eksperimental'nye obrazcy yadernyh raketnyh dvigatelei (YaRD) razrabatyvalis' s serediny 60-h godov v SSSR i SShA. V nastoyashee vremya Rossiya yavlyaetsya edinstvennym gosudarstvom, raspolagayushim marshevym YaRD (ris. 76).

Prodolzhayutsya razrabotki elektricheskih RD (ERD) - elektrotermicheskih, elektromagnitnyh, ionnyh. Pervye eksperimental'nye obrazcy ERD byli sozdany v SSSR v 1929-30 g.g.; v nastoyashee vremya ERD ispol'zuyutsya v kachestve dvigatelei orientacii KLA Rossii i SShA. Marshevyi ionnyi dvigatel' ustanovlen na AMS, zapushennoi v konce 90-h gg. v SShA (ris. 77).

S tochki zreniya mehaniki kosmicheskogo poleta RD razdelyayutsya na:

1. Dvigatel'nye sistemy s ogranichennoi skorost'yu istecheniya w » 3 - 30 km/s, opredelyaemoi naibol'shei temperaturoi reaktivnoi strui (himicheskie, yadernye i t. d.). Oni rabotayut neprodolzhitel'noe vremya (minuty, sekundy) v atmosfere i vakuume na malyh aktivnyh uchastkah traektorii poleta (sotni km).

2. Sistemy ogranichennoi moshnosti s otdel'nym istochnikom energii, ot kotorogo zavisit ih effektivnost' (elektricheskie i dr.).

3. Sistemy s ogranichennoi tyagoi (parusnye i radioizotopnye).

Na aktivnyh uchastkah poleta dvizhenie KLA zavisit ot raboty ego dvigatelei; na passivnyh uchastkah traektorii na dvizhenie KLA vliyayut sily prityazheniya so storony kosmicheskih tel, davlenie sveta i solnechnyi veter, a v verhnih sloyah atmosfer - aerodinamicheskie sily treniya.

Osnovnye harakteristiki passivnogo dvizheniya KLA mozhno opredelit' pri reshenii zadachi 2-h tel.

V central'nom pole tyagoteniya massivnyh kosmicheskih tel KLA dvizhutsya po keplerovskim orbitam, prichem:

1. Traektoriya dvizheniya KLA pryamolineina v sluchae, kogda ego nachal'naya skorost' u ₀ = 0 i KLA ravnouskorenno padaet k centru prityazheniya.

2. KLA dvizhutsya po ellipticheskim traektoriyam, kogda nachal'naya skorost' napravlena pod uglom k centru prityazheniya, pri . Po ellipticheskim orbitam vokrug Zemli dvizhutsya ee ISZ, sovremennye kosmicheskie korabli i orbital'nye stancii, a takzhe AMS, vrashayushiesya vokrug issleduemyh imi planet.

3. Po parabolicheskim traektoriyam pri u₀ = u_II, kogda konechnaya skorost' KLA v beskonechno udalennoi tochke prostranstva ravna nulyu.

4. Po giperbolicheskim traektoriyam (u₀ > u_II), pochti neotlichimym ot pryamolineinyh na bol'shom udalenii ot centra prityazheniya.

Traektorii mezhplanetnyh poletov razlichayutsya po forme, dlitel'nosti pereleta, energeticheskim zatratam i drugim faktoram, zavisyashim ot celi i osobennostei kosmicheskogo poleta. Interesno otmetit', chto KLA prakticheski nikogda ne dvizhutsya po pryamoi linii: traektorii ih dvizheniya (krome nekotoryh idealizirovannyh sluchaev) predstavlyayut soboi otrezki krivyh II poryadka (okruzhnosti, ellipsa, paraboly i giperboly), soedinyayushie orbity kosmicheskih tel ili sami tela.

Vydelyayut 3 passivnyh uchastka traektorii mezhplanetnyh poletov: 1) vnutri "sfery deistviya" Zemli, v kotoroi dvizhenie KLA opredelyaetsya tol'ko siloi zemnogo prityazheniya; 2) ot granicy sfery deistviya Zemli do granicy sfery deistviya kosmicheskogo tela - celi poleta, samomu dlinnomu i prodolzhitel'nomu, na kotorom dvizhenie KLA opredelyaetsya prityazheniem Solnca; 3) vnutri sfery deistviya kosmicheskogo tela - celi poleta.

Vyshe uzhe otmechalos', chto dlya vyhoda iz sfery deistviya Zemli KLA dolzhen imet' skorost' u > u_II;. Dobavochnaya skorost', kotoruyu nahodyashiisya na orbite iskusstvennogo sputnika KLA dolzhen obresti dlya togo, chtoby vyiti iz sfery deistviya Zemli, nazyvaetsya skorost'yu vyhoda u _v. , gde r - rasstoyanie ot kosmicheskogo tela, R_dÅ - radius sfery deistviya Zemli (R_dÅ = 925000 km).

Pri zapuske KLA s poverhnosti Zemli neobhodimo uchityvat':

1) skorost' i napravlenie vrasheniya Zemli vokrug svoei osi;
2) skorost' i napravlenie vrasheniya Zemli vokrug Solnca (u_Å = 29,785 km/s).

Ves'ma slozhen trebuyushii bol'shih energeticheskih zatrat zapusk ISZ, vrashayushihsya v napravlenii, protivopolozhnom napravleniyu vrasheniya Zemli vokrug svoei osi; bolee slozhen zapusk KLA po traektorii, ne lezhashei v ploskosti ekliptiki.

Ris. 79. Geliocentricheskie traektorii v harakternyh sluchayah vyhoda iz sfery deistviya Zemli

Esli skorost' vyhoda sovpadaet po napravleniyu so skorost'yu dvizheniya Zemli v_Å , orbita KLA, krome perigeliya, lezhit vne orbity Zemli (ris. 79v).
Pri protivopolozhnoi napravlennosti skorosti u_v orbita KLA, za isklyucheniem afeliya, lezhit vnutri orbity Zemli (ris. 79a).
Pri toi zhe napravlennosti i ravenstve skorostei u_v = u_Å orbita KLA stanovitsya pryamoi, po kotoroi KLA budet padat' na Solnce okolo 64 sutok (ris. 79g).
Pri u_v = 0 orbita KLA sovpadaet s orbitoi Zemli (ris. 79b).

Chem vyshe skorost' u_v KLA, tem bol'she ekscentrisitet ego ellipticheskoi orbity. Putem sravnitel'no neslozhnyh raschetov opredelyaetsya znachenie v_v, neobhodimoe dlya togo, chtoby perigelii ili afelii orbit KLA lezhal na orbite vneshnei ili vnutrennei planet,.

Traektorii poleta KLA, odnovremenno kasayushiesya orbit Zemli i kosmicheskih tel - celei mezhplanetnogo poleta, nazyvayutsya gomanovskimi traektoriyami (v chest' rasschitavshego ih nemeckogo uchenogo V. Gomanna).

Dlya vneshnih planet: . Dlya vnutrennih planet: , gde r - srednee rasstoyanie planetnogo tela ot Solnca.

Prodolzhitel'nost' pereleta po gomanovskoi traektorii rasschityvaetsya po formule: srednih solnechnyh sutok.

Pri raschetah traektorii mezhplanetnogo poleta po gomanovskim traektoriyam neobhodimo uchityvat' vzaimnoe raspolozhenie (nachal'nuyu konfiguraciyu) Zemli, Solnca i planety-celi, harakteristiki i osobennosti dvizheniya planet po ih orbitam. Naprimer, polet k Marsu po kratchaishei gomanovskoi traektorii zaimet vsego 69,9^d, k Yupiteru - 1,11 goda, k Plutonu - 19,33 goda. Odnako real'no optimal'noe vzaimnoe polozhenie Zemli, Solnca i etih planet proishodit isklyuchitel'no redko i dlya umen'sheniya vremeni pereleta trebuetsya povysit' u_v, chto trebuet dopolnitel'nyh energozatrat. Poetomu, v chisle prochih prichin, pilotiruemye polety k planetam Solnechnoi sistemy sushestvenno dorozhe i slozhnee, nezheli issledovanie etih planet s pomosh'yu AMS, kotorye mogut godami letet' k svoim celyam po samym ekonomichnym traektoriyam. S uchetom deistviya vozmushenii so storony planet i Solnca AMS i kosmicheskie korabli dolzhny imet' dvigateli dlya korrektirovki traektorii dvizheniya.

Pri dostizhenii sfery deistviya planety-celi, dlya vyhoda na ellipticheskuyu ili krugovuyu orbitu vokrug nee KLA dolzhen umen'shit' skorost' do znacheniya, men'shego II kosmicheskoi dlya dannoi planety.

V mezhplanetnoi navigacii shiroko ispol'zuetsya manevr KLA v gravitacionnom pole planet Solnechnoi sistemy.

Pri dvizhenii v central'nom pole tyagoteniya massivnogo kosmicheskogo tela na KLA deistvuet sila prityazheniya so storony etogo tela, izmenyayushaya skorost' i napravlenie dvizheniya KLA. Napravlennost' i velichina uskoreniya KLA zavisyat ot togo, naskol'ko blizko proletit KLA ot kosmicheskogo tela i ot ugla j mezhdu napravleniyami vhoda i vyhoda KLA v sferu deistviya etogo tela.

Skorost' KLA izmenyaetsya na velichinu:

Naibol'shee uskorenie KLA priobretaet pri dvizhenii po traektorii, prohodyashei na minimal'nom rasstoyanii ot kosmicheskogo tela, esli skorost' vhoda KLA v sferu deistviya ravna I kosmicheskogo skorosti u_I u poverhnosti etogo tela, pri etom .

Pri oblete Luny KLA mozhet uvelichit' svoyu skorost' na 1,68 km/s, pri oblete Venery - na 7,328 km/s, pri oblete Yupitera - na 42,73 km/s. Skorost' vyhoda KLA iz sfery deistviya planety mozhno znachitel'no uvelichit' vklyucheniem dvigatelei v moment prohozhdeniya pericentra.

Na ris. 80-81 privedeny nekotorye raschetnye traektorii mezhplanetnyh pereletov.

Ris. 80. Gomanovskie traektorii pereleta (S, Z, P, P - Solnce, Zemlya, vneshnyaya i vnutrennyaya planety, 0 i 1 - indeksy nachala i konca pereleta). Ugly nachal'noi konfiguracii - Z0SP0 i Z0SP¢0	Ris. 81. Polet k Solncu cherez Yupiter

 Astronavtika - razdel kosmonavtiki, issleduyushii problemy mezhzvezdnyh poletov. V nastoyashee vremya izuchaet v osnovnom teoreticheskie problemy mehaniki pereleta, poskol'ku sovremennaya nauka ne raspolagaet svedeniyami dlya resheniya tehnicheskih voprosov dostizheniya zvezd.

Dlya mezhzvezdnogo poleta KLA dolzhen vyiti za predely sfery deistviya Solnca, ravnoi 9× 10¹² km. Mezhzvezdnye rasstoyaniya ogromny: do blizhaishei zvezdy 270000 a.e.; vnutri opisannoi vokrug Solnca sfery radiusom 10 pk nahoditsya vsego okolo 50 zvezd.

V nastoyashee vremya v polet za predely Solnechnoi sistemy otpravilis' AMS "Pioner-10 i -11" i "Voyadzher-1 i -2", kotorye udalyatsya na rasstoyanie 1 svetovogo goda cherez tysyachi let.

Sushestvuyushie i dazhe perspektivnye vidy RD ne prigodny ili maloprigodny dlya mezhzvezdnyh pereletov, poskol'ku ne mogut obespechit' razgon KLA do skorosti svyshe 0,1 skorosti sveta s.

K blizhaishim iz zvezd teoreticheski vozmozhny lish' polety "v odin konec" avtomaticheskih mezhzvezdnyh zondov (AMZ) ili pilotiruemye perelety s cel'yu kolonizacii podhodyashih planet s ekipazhem v sostoyanii "obratimoi smerti" (gibernacii) ili so smenoi pokolenii vnutri korablya, chto trebuet resheniya mnozhestva ne tol'ko tehnicheskih, no i eticheskih, psihologicheskih, biologicheskih problem (ekipazh nikogda ne vozvratitsya na Zemlyu; bol'shuyu chast' zhizni ili dazhe vsyu zhizn' pri smene pokolenii emu predstoit provesti vnutri korablya; neobhodimo sozdanie polnost'yu zamknutoi ekosistemy KLA i t. d.); eshe do starta zemnye astronomicheskie nablyudeniya dolzhny dat' garantii sushestvovaniya planet zemnoi gruppy s podhodyashimi dlya zhizni usloviyami u zvezdy - celi poleta (inache polet teryaet smysl).

"Goluboi mechtoi" sovremennoi astronavtiki yavlyaetsya teoreticheski ideal'nyi kvantovyi (fotonnyi) RD s w = c - edinstvenno prigodnyi dlya osushestvleniya mezhzvezdnyh pereletov v predelah Galaktiki (ris. 78).

Dvizhenie fizicheskih tel so skorostyami, blizkimi k skorosti sveta, rassmatrivayutsya v obshei teorii otnositel'nosti (OTO), issleduyushei prostranstvenno-vremennye zakonomernosti lyubyh fizicheskih processov.

V ramkah OTO formula Ciolkovskogo obobshaetsya i prinimaet vid: ,

gde z - chislo Ciolkovskogo, m₀ - nachal'naya, m₁ - konechnaya massy KLA, u ₁ - konechnaya skorost' KLA v zemnoi sisteme otscheta, w - skorost' reaktivnoi strui otnositel'no korablya.

Skorosti sveta ne smozhet dostignut' dazhe fotonnyi zvezdolet pri w = c, poskol'ku:.

Polet so skorost'yu vyshe skorosti sveta soglasno sovremennoi nauke nevozmozhen dlya lyubyh material'nyh ob'ektov. Odnako (teoreticheski) zvezdolet mozhet peremeshat'sya so skorost'yu, blizkoi skorosti sveta, .

Vozmozhny varianty mezhzvezdnogo poleta:

1. Polet v 3 etapa: razgon KLA do naibol'shei skorosti; polet po inercii s vyklyuchennymi dvigatelyami; tormozhenie do nulevoi skorosti.
2. Polet v 2 etapa s postoyannym uskoreniem: pervuyu polovinu puti KLA uvelichivaet skorost' s uskoreniem g~ gÅ = 10 m/s², a zatem nachinaet tormozhenie s tem zhe uskoreniem.

Soglasno osnovnym polozheniyam OTO dlya nablyudatelya na bortu KLA pri priblizhenii k skorosti sveta vse fizicheskie processy budut zamedlyat'sya v raz, i vo stol'ko zhe raz budut sokrashat'sya rasstoyaniya vdol' napravleniya dvizheniya KLA: prostranstvo i vremya kak by "szhimayutsya". V sisteme otscheta korablya on budet nepodvizhen, a otnositel'no Zemli i celi poleta budet peremeshat'sya so skorost'yu u £ c.

Sobstvennoe (korabel'noe) vremya poleta i nezavisimoe vremya, protekayushee s momenta starta na Zemle, rasschityvayutsya po raznym formulam: , gde i - funkcii giperbolicheskogo kosinusa i giperbolicheskogo sinusa, r - rasstoyanie do celi poleta.

Pri nepreryvnom uskorenii g = 10 m/s² polet do zvezdy a Centavra zaimet po korabel'nym chasam 3,6 goda, po zemnym - 4,5 goda; polet k centru Galaktiki zaimet po korabel'nym chasam T_k = 19,72 goda, po zemnym T_Å = 27000 let; polet k galaktike M31 ("tumannosti Andromedy"), blizhaishei iz spiral'nyh galaktik, zaimet sootvetstvenno T_k = 28 let i T_Å = 3,5 milliona let!

Takova plata za mezhzvezdnye polety soglasno "paradoksu bliznecov": obletevshie pol-Galaktiki i postarevshie na desyatki let astronavty vozvratyatsya na Zemlyu tysyachi i milliony let spustya posle starta. Pomimo chisto eticheskih problem vernuvshihsya iz, po suti, "poleta v odin konec" prishel'cev iz dalekogo proshlogo v mir budushego, vstaet vazhnaya problema cennosti dostavlennoi astronavtami informacii: za vremya poleta nauka na Zemle ne stoit na meste!

Ochen' vazhny energeticheskie problemy mezhzvezdnyh poletov: esli dlya dostizheniya II kosmicheskoi skorosti mezhplanetnogo pilotiruemogo pereleta Zemlya - Mars budet zatrachena energiya okolo 8,4× 10⁹ kVt× ch (vyrabatyvaemoi elektrostanciei moshnost'yu 100 MVt za 8,5 chasov), to dlya razgona KLA do 0,2s potrebuetsya energiya 10¹⁵ kVt× ch - vsya energiya, vyrabatyvaemaya elektrostanciyami Zemli za 10 let. Uvelichenie skorosti do 0,4 s vlechet uvelichenie rashoda energii v 16 raz pri 100 % KPD dvigatelei! Zapasy topliva dlya termoyadernogo RD sostavyat svyshe 99 % massy KLA. Dlya sinteza antiveshestva dlya edinstvennogo poleta fotonnogo zvezdoleta trebuetsya takoe kolichestvo energii, chto sovremennaya nauka ne mozhet ukazat' ego istochnika v peredelah Solnechnoi sistemy.

Takim obrazom, po zakonam fiziki na sovremennom urovne razvitiya zemnoi civilizacii mezhzvezdnye pilotiruemye polety KLA prakticheski nevozmozhny. Issledovaniya blizhaishih zvezd mezhzvezdnymi bespilotnymi AMZ vpolne vozmozhny (v nastoyashee vremya v SShA i Rossii razrabatyvayutsya proekty zapuska AMZ k Proksime Centavra, zvezde Barnarda i nekotorym drugim ob'ektam v seredine XXI veka). Imeyushie neskol'ko desyatkov tonn massy poleznoi nagruzki AMZ budut razgonyat'sya do skorosti 0,1-0,2s solnechnymi, radioizotopnymi ili termoyadernymi RD, vremya poleta sostavit desyatki ili dazhe sotni let.

Izuchennyi material zakreplyaetsya v hode resheniya zadach:

Uprazhnenie 10:

1. Pochemu proshe zapustit' KLA k Plutonu, nezheli k Solncu?

2. Vozmozhna li izlyublennaya v fantastike 60-h godov situaciya, kogda KLA s vyshedshim iz stroya dvigatelem prityagivaetsya i padaet na Solnce?

3. Gde i pochemu vygodnee raspolagat' kosmodromy: na polyusah ili na ekvatore Zemli?

4. Opredelite skorost' vyhoda KLA za predely Solnechnoi sistemy. Kak dolgo on budet letet' k blizhaishei iz zvezd?

5. Pochemu vnutri kosmicheskogo korablya na passivnom uchastke traektorii poleta nastupaet nevesomost'?

6. Kakova skorost' AMS, vrashayusheisya po krugovoi orbite vokrug Yupitera na rasstoyanii: a) 2000 km; b) 10000 km ot planety?

7. Izobrazite na chertezhe konfiguraciyu Zemli, Solnca i Marsa, schitaya ih orbity krugovymi, pri polete sovetskih AMS "Mars-2" i "Mars-3", dostigshih Marsa 21.11.1971 goda i 2.12.1971 goda posle 192 i 188 sutok poleta, esli protivostoyanie planet proizoshlo 10 avgusta 1971 goda.

Zamechaniya, rekomendacii i dopolneniya k metodike provedeniya uroka:

Po mneniyu V.V. Radzievskogo [240] sleduet obratit' vnimanie uchitelei i uchashihsya "na ogromnoe prakticheskoe znachenie astronomii v svyazi s aktivnym osvoeniem kosmosa, na rol' kosmonavtiki v reshenii ekologicheskih problem zagryazneniya okruzhayushei sredy (perenos zagryaznyayushih atmosferu predpriyatii v kosmos, vybros v kosmos vrednyh othodov proizvodstva, demograficheskie perspektivy)… Neobhodimo usilit' elementy kosmonavtiki v samoi programme, vvesti voprosy: zakon sohraneniya energii v zadache 2-h tel (elementarnyi vyvod)...

V 60-80-e gody v shkolah Sovetskogo Soyuza prepodavalsya fakul'tativnyi kurs A.D. Marlenskogo "Osnovy kosmonavtiki" (IX klass, 70 chasov uchebnyh zanyatii po 2 ch. v nedelyu) [165]. Svedeniya o ego strukture, soderzhanii i planirovanii zanyatii mogut prigodit'sya sovremennomu uchitelyu fiziki i astronomii dlya ispol'zovaniya sootvetstvuyushego materiala na urokah fiziki i astronomii (osobenno v fiziko-matematicheskih klassah) i vneklassnyh zanyatiyah:

1) Istoriya kosmonavtiki (2 ch.) (Pervye fantasticheskie proekty kosmicheskih poletov. K.E. Ciolkovskii – osnovopolozhnik nauchnoi kosmonavtiki. Osnovnye etapy razvitiya raketnoi tehniki. Zapusk pervogo sovetskogo ISZ i nachalo kosmicheskoi ery. Polet cheloveka v kosmos).

2) Dvizhenie i ustroistvo raket (4 ch.) (Princip deistviya rakety. Ponyatie o mehanike tel peremennoi massy. Formula Ciolkovskogo. Osnovnye chasti i chislovye harakteristiki odnostupenchatoi rakety. Mnogostupenchatye rakety. Raketnye dvigateli i topliva). Nachinat' s povtoreniya zakona sohraneniya impul'sa; s oporoi na nego proanalizirovat' odnoimpul'snyi vybros massy iz rakety. Rassmotret' seriyu posledovatel'nyh vybrosov i pokazat', chto rezul'tiruyushaya skorost' rakety pri odnonapravlennyh vybrosah ravna summe skorostei, kotorye ona poluchaet pri kazhdom vybrose massy. Soobshit' formulu Ciolkovskogo (bez podrobnogo vyvoda, no s detal'nym analizom fizicheskogo smysla i resheniem sootvetstvuyushih zadach). Rassmotret' dvizhenie rakety s tochki zreniya zakonov dinamiki, v zavisimosti ot reaktivnoi sily. Prodemonstrirovat' na opytah vozniknovenie reaktivnoi sily na primerah vytekayushih vodyanyh strui i pokazat', kak mozhno izmenit' silu tyagi (privoditsya shema ustanovki). Oznakomit' uchenikov s chislovymi harakteristikami odnostupenchatyh i mnogostupenchatyh RN. Predlozhit' (doma) razrabotat' proekty raket s razlichnymi harakteristikami, razobrat' na sleduyushem uroke. Rabota RD izuchaetsya v obshih chertah. Rassmatrivayutsya shemy ih ustroistva, podachi topliva i grafiki izmeneniya harakteristik (skorost', temperatura i davlenie produktov sgoraniya vdol' osi RD). Obratit' vnimanie na osnovnye dannye RD i raketnogo topliva v sravnenii s teplovymi dvigatelyami i toplivom nazemnogo transporta. Polezno prodemonstrirovat' deistvuyushie modeli raket.

3) Svobodnoe dvizhenie rakety v pole tyagoteniya (8 ch) (Central'noe pole tyagoteniya. Zadacha 2-h tel. Zakon sohraneniya mehanicheskoi energii pri dvizhenii v pole tyagoteniya. Gravitacionnyi parametr. Formula skorosti tela, dvizhushegosya po ellipticheskoi orbite. Traektorii dvizheniya v pole tyagoteniya (keplerovy orbity). Zakony Keplera. Krugovaya skorost', skorost' osvobozhdeniya, giperbolicheskii izbytok skorosti. Ponyatie o vozmushennom dvizhenii. Sfera deistviya. Nevesomost'). Povtorit' zakon Vsemirnogo tyagoteniya primenitel'no k 2 material'nym tochkam i podrobno proanalizirovat' ego formulu; ukazat' na vozmozhnost' predstavleniya massivnyh kosmicheskih tel v vide material'nyh tochek. Formiruetsya predstavlenie o pole tyagoteniya kak pole central'nyh sil i ego harakteristikah: uskoreniya svobodnogo padeniya (pozvolyayut opredelyat' silovye vozdeistviya central'nogo polya na tela, vnosimye v raznye tochki polya) i potencialy (dlya opredeleniya energeticheskih zatrat pri razlichnyh peremesheniyah tel v etom pole). Obosnovat' vybor nulevogo znacheniya gravitacionnogo potenciala dlya beskonechno udalennyh tochek v etom sluchae gravitacionnye potencialy vseh kosmicheskih tel otschityvayutsya ot nulevogo urovnya i ih legko sravnivat'. Sravnivaya gravitacionnye potencialy tochek na poverhnosti planet, mozhno sudit' o velichine raboty dlya udaleniya tela iz dannoi tochki v beskonechnost' (vvedenie ponyatiya o II kosmicheskoi skorosti). Reshenie zadachi 2-h tel opiraetsya na zakony sohraneniya energii i momenta impul'sa (sleduet sformirovat' ponyatie o zakone sohraneniya momenta impul'sa na osnove demonstracii skam'i Zhukovskogo, opredeleniya ponyatiya momenta impul'sa i ryade opytov)

4) Dvizhenie rakety pod deistviem tyagi (6 ch.) (Vyvod KA na orbitu. Poteri skorosti. Nachal'naya i summarnaya harakteristicheskie skorosti. Upravlenie KA. Korrekcii traektorii. Peregruzki v polete. Ponyatie o kosmicheskoi navigacii. Inercial'naya, astro- i radionavigaciya. Orientaciya i stabilizaciya KA). 5) Iskusstvennye sputniki Zemli (8 ch.) (Orbity ISZ. Vozmushenie orbit, vyzvannoe nesferichnost'yu Zemli, soprotivleniem atmosfery, prityazheniem Luny i Solnca. Dvizhenie ISZ otnositel'no poverhnosti Zemli. Vyvod ISZ na orbitu. Mnogoimpul'snye manevry. Vstrecha na orbite. Orbity ozhidaniya. Gomanovskie perehody. Stykovka. Orbital'nye stancii. Spusk s orbity. Osnovnye fizicheskie yavleniya pri vhode v atmosferu. Ballisticheskii i planiruyushii spuski). 6) Polety k Lune i planetam (8 ch.) (Traektorii poletov k Lune. Iskusstvennye sputniki luny. Posadka na Lunu. Traektorii poleta k planetam. Optimal'nye traektorii. Okna zapuska. Korrekcii traektorii. Mnogoimpul'snye traektorii. Ispol'zovanie gravitacionnogo polya planet dlya izmeneniya traektorii KA. Oblet planet. Posadka na planety. Ispol'zovanie atmosfery pri posadke. Koridor vhoda. Zhestkaya i myagkaya posadki). 7) Usloviya kosmicheskogo poleta (2 ch.) (Radiacionnaya opasnost'. Meteoritnaya opasnost'. Sposoby zashity. Zhizneobespechenie v KK. Kosmicheskaya psihologiya. Ritm zhizni v KK. Vliyanie nevesomosti i peregruzki na organizm). 8) Nauchnoe i prakticheskoe ispol'zovanie kosmonavtiki (6 ch.) (Uspehi SSSR v ispol'zovanii kosmosa. Nauchnaya apparatura ISZ, KA i AMS. Issledovaniya Zemli, okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva, Luny, planet, mezhplanetnogo prostranstva sredstvami kosmonavtiki. Prakticheskoe ispol'zovanie kosmonavtiki: v geodezii, meteorologii, dlya navigacii, svyazi, razvedki zemnyh resursov). 9) Perspektivy kosmonavtiki (2 ch.) (Proekty dal'neishih kosmicheskih poletov v Solnechnoi sisteme. Proekty osvoeniya Luny i planet. Vozmozhnost' mezhzvezdnyh pereletov). 10 chasov prakticheskih rabot (v tom chisle astronomicheskih nablyudenii).

<< Predydushaya

Soderzhanie

Sleduyushaya >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: metodika prepodavaniya - prepodavanie astronomii - nablyudeniya - laboratornye raboty - prakticheskie raboty - uchebnaya programma - uchebnye posobiya - lekcii - pedagogicheskii eksperiment - didaktika - kontrol'nye raboty - zadacha Publikacii so slovami: metodika prepodavaniya - prepodavanie astronomii - nablyudeniya - laboratornye raboty - prakticheskie raboty - uchebnaya programma - uchebnye posobiya - lekcii - pedagogicheskii eksperiment - didaktika - kontrol'nye raboty - zadacha

Sm. takzhe: Illyuziya odinakovyh cvetov Ochnye kursy dopolnitel'nogo obrazovaniya "Astronomiya v sovremennoi shkole" Zagadochnye zelenye pyatna v oblakah Asteroidno-kometnaya opasnost' – grozit li nam "Armageddon" ? Lektorii Planetariya otkryvaet dveri Syfy Poehali Party v Politehnicheskom muzee Issledovanie komety 2010 goda po nablyudeniyam s kosmicheskoi orbital'noi observatorii SOHO. Vse publikacii na tu zhe temu >>