Урок по астрономии. 11 класс. Движение искусственных спутников и космических аппаратов (КА) в Солнечной системе

Урок астрономии 11 класс

Шаронова С.М.

Движение искусственных спутников и космических аппаратов (КА) в Солнечной системе

Цели урока :

раскрыть научные основы практического применения законов небесной механики к планированию и реализации полетов искусственных спутников и космических аппаратов.

Задачи урока:

охарактеризовать орбиты и космические скорости искусственных спутников Земли, ознакомиться с историей освоения космоса и достижениями СССР и России в космических исследованиях, ознакомиться с историей исследования Луны космическими аппаратами и в ходе пилотируемых полетов; охарактеризовать современный этап освоения межпланетного пространства космическими аппаратами.

Виды деятельности:

 строить логичные устные высказывания, анализировать собственные методологические знания, высказывать собственную позицию относительно рассматриваемого вопроса, выдвигать гипотезы, формулировать цели, планировать собственную познавательную деятельность, представлять результаты своей работы, осуществлять рефлексию познавательной деятельности.

Этапы урока

1.     Мотивация к деятельности

В ходе обсуждения вопросов уделяется внимание построению учащимися связанных устных высказываний, а не отрывочных фраз.

2.     Актуализация опыта и предшествующих знаний учащихся и фиксация затруднений

2.1.   Учитель организует фронтальное решение качественных задач с устным подробным обоснованием ответов.

2.2.    Учитель организует фронтальное решение расчетной задачи на применение уточненного третьего закона Кеплера с устным подробным обоснованием хода решения.

2.3.   Учитель, используя слайд-шоу, предлагает высказать предположения о методах определения массы тела, не имеющего спутников. Подводит учащихся к выводу о возможности запуска искусственных спутников небесных тел. Учащиеся формулируют тему урока и высказывают в ходе мозгового штурма, на какие вопросы они хотели бы получить ответ.

2.4.    Учитель предлагает проанализировать высказывание и сформулировать собственное мнение относительно целесообразности исследования космического пространства и запуска космических аппаратов. Важно, подчеркивая уважение к мнению учащихся, акцентировать внимание на мысли о неограниченности человеческого познания, желании раскрывать законы природы.

3.     Постановка учебной задачи

3.1.   Учитель предлагает представить доклад «История запуска в СССР первого в мире искусственного спутника Земли». После представления доклада внимание учащихся акцентируется на знаниях о кинематических характеристиках первого искусственного спутника, прозвучавших в докладе и частично известных учащимся из курса физики — первой космической скорости, характеристике орбиты.

3.2.   Основываясь на содержании доклада и знаниях учащихся из курса физики, учитель инициирует высказывания учащихся о процессах, которые сопровождают движение искусственных спутников. Учащиеся высказываются о необходимости вывода спутника на орбиту, корректировки орбиты, запуска спутников к другим телам Солнечной системы. Учащиеся формулируют цель урока.

4.     Составление плана по преодолению затруднений

4.1.    Учащиеся в микрогруппах, исходя из поставленной цели, формулируют вопросы, на которые хотят получить ответы, и составляют план достижения поставленной цели.

4.2.    Учитель организует обсуждение плана в микрогруппах. Выслушав предложенные варианты, учитель подводит учащихся к выводу о необходимости рассмотрения характеристик скоростей и орбит искусственных спутников, особенностей их запуска к Луне и особенности межпланетных перелетов.

5.     Реализация выбранного плана деятельности и осуществление самостоятельной работы

5.1.   Учащиеся реализуют план, используя текст. Учитель корректирует и направляет работу в группах, поддерживая деятельность каждого учащегося.

5.2.   Учитель организует обсуждение результатов по первым двум характеристикам движения искусственных спутников и космических аппаратов. Подчеркивается форма траектории и ее взаимосвязь со скоростью. Для этого, используя слайд-шоу, анализируется вывод формулы для первой космической скорости, известный учащимся из курса физики.

5.3.   Учитель организует беседу о направлениях практического применения искусственных спутников Земли; представляет анимации «Метеорологические спутники», «Изучение ресурсов Земли. Охрана природы», «Телевещание и искусственные спутники Земли»; подводит учащихся к выводу о значимости для деятельности каждого человека данных, получаемых с помощью ИСЗ.

5.4.   Учащиеся представляют доклад «История запуска космических аппаратов к Луне». В беседе учитель подводит учащихся к выводу о возможности двух вариантов совершения полета к Луне — с первой космической скоростью по очень вытянутой эллиптической орбите и со второй космической скоростью. С помощью слайд-шоу анализируются траектории космических аппаратов и вывод выражения для второй космической скорости.

5.5.   Учащиеся представляют результаты самостоятельной работы. С помощью рисунков анализируются орбиты движения космических аппаратов к внутренним и внешним планетам Солнечной системы. Учитель вводит понятие «полуэллиптическая орбита». Учащиеся представляют доклад «История запуска космических аппаратов к планетам Солнечной системы».

5.6.   Учитель подчеркивает значимость пилотируемых полетов, указывает на длительность истории исследования влияния космического полета на организм человека. Учащиеся представляют доклады «Животные в космосе», «Этапы развития пилотируемых космических полетов».

6.     Рефлексия деятельности

6.1.    Учитель, используя Приложение VIII учебника, предлагает учащимся сделать вывод о вкладе СССР и России в развитие космонавтики. Для этого задаются вопросы о вкладе СССР в развитие космической эры астрономии, России в развитие современных космических исследований, просит перечислить наиболее значимые элементы истории советской космонавтики для развития мировой космической эры. Подводит учащихся к выводу о ведущей роли нашей страны в космических исследованиях, умении сотрудничать с другими странами.

6.2.   Учитель представляет рефлексивные вопросы. В ходе обсуждения ответов на рефлексивные вопросы необходимо акцентировать внимание на значительном объеме исторических сведений об уже достигнутых результатах в запуске космических аппаратов к телам Солнечной системы, необходимости самостоятельного изучения учащимися этих результатов.

7.     Домашнее задание

7.1.   Записать в словарик определения: законы Кеплера, виды искусственных спутников, полуэллиптическая орбита, космические скорости.

7.2.   Выполнить упр.12

Упражнение 12

1. Определите массу Юпитера, зная, что его спутник, который отстоит от Юпитера на 422 000 км, имеет период обращения 1,77 суток. Для сравнения используйте данные для системы Земля—Луна.

2. Ускорение силы тяжести на Марсе составляет 3,7 м/с2, на Юпитере — 25 м/с2. Рассчитайте первую космическую скорость для этих планет.

3. Сколько суток (примерно) продолжается полёт КА до Марса, если он проходит по эллипсу, большая полуось которого равна 1,25 а. е.?

(Ответы: 1. 320 масс Земли. 2. 3,5 км/с; 42 км/с. 3. 255 сут.)

Основная лекция

       Изучению различных вопросов космических аппаратов посвящено множество публикаций отечественных и зарубежных авторов. Несмотря на это сложилась такая ситуация, когда при большом количестве литературы, посвященной полету космического аппарата (КА), новому специалисту приходится сталкиваться с серьезными трудностями при усвоении и практическом использовании результатов теории полета КА в своей повседневной работе.

        Более глубокому осмыслению теоретического материала способствует систематическое решение задач.  Решение задач требует продуктивности, пользы от решения задач является предварительное ознакомление с теоретическим материалом. Решая задачу нужно стремиться не только получить правильный ответ, но и усвоить общий метод расчета или общий метод решения подобных задач.

       Большую помощь оказывает графическое представление результатов решения задачи. Поэтому в пособии часть задач сформулирована таким образом, что ответ должен быть представлен в виде графической зависимости. Это поможет более глубоко использовать закономерности изучаемого явления.

       Такие факторы, как сопротивление земной атмосферы, сжатие Земли, давление солнечного излучения, притяжения Луны и Солнца, являются причиной отклонений от невозмущённого движения. Изучение этих отклонений позволяет получать новые данные о свойствах земной атмосферы, о гравитационном поле Земли. Из-за сопротивления атмосферы ИСЗ, движущиеся по орбитам с перигеем на высоте несколько сот км, постепенно снижаются и, попадая в сравнительно плотные слои атмосферы на высоте 120—130 км и ниже, разрушаются и сгорают; они имеют, таким образом, ограниченный срок существования. Так, например, первый советский ИСЗ находился в момент выхода на орбиту на высоте около 228 км над поверхностью Земли и имел почти горизонтальную скорость около 7,97 км/сек. Большая полуось его эллиптической орбиты (т. е. среднее расстояние от центра Земли) составляла около 6950 км, период обращения 96,17 мин, а наименее и наиболее удалённые точки орбиты (перигей и апогей) располагались на высотах около 228 и 947 км соответственно. Спутник существовал до 4 января 1958, когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы.

       Орбита, на которую выводится ИСЗ сразу после участка разгона ракеты-носителя, бывает иногда лишь промежуточной. В этом случае на борту ИСЗ имеются реактивные двигатели, которые включаются в определённые моменты на короткое время по команде с Земли, сообщая ИСЗ дополнительную скорость. В результате ИСЗ переходит на другую орбиту. Автоматические межпланетные станции выводятся обычно сначала на орбиту спутника Земли, а затем переводятся непосредственно на траекторию полёта к Луне или планетам.

Движение искусственных спутников Земли.

Движение искусственных спутников Земли не описывается законами Кеплера, что обусловливается двумя причинами:

1) Земля не является точно шаром с однородным распределением плотности по объёму. Поэтому её поле тяготения не эквивалентно полю тяготения точечной массы, расположенной в геометрическом центре Земли;

2) Земная атмосфера оказывает тормозящее действие на движение искусственных спутников, вследствие чего их орбита меняет свою форму и размеры и в конечном результате спутники падают на Землю.

      По отклонению движения спутников от кеплеровского можно вывести заключение о форме Земли, распределении плотности по её объёму, строении земной атмосферы. Поэтому именно изучение движения искусственных спутников позволило получить наиболее полные данные по этим вопросам.

      Если бы Земля была однородным шаром и не существовало бы атмосферы, то спутник двигался бы по орбите, плоскость сохраняет неизменную ориентацию в пространстве относительно системы неподвижных звёзд. Элементы орбиты в этом случае определяются законами Кеплера. Так как Земля вращается, то при каждом следующем обороте спутник движется над разными точками земной поверхности. Зная трассу спутника за один какой-либо оборот, нетрудно предсказать его положение во все последующие моменты времени. Для этого необходимо учесть, что Земля вращается с запада на восток с угловой скоростью примерно 15 градусов в час. Поэтому на последующем обороте спутник пересекает туже широту западнее на столько градусов, на сколько Земля повернётся на восток за период вращения спутника.

       Из-за сопротивления земной атмосферы спутники не могут длительно двигаться на высотах ниже 160 км. Минимальный период обращения на такой высоте по круговой орбите равен примерно 88 мин, то есть приблизительно 1,5 ч. за это время Земля поворачивается на 22,5 градуса. На широте 50 градусов этому углу соответствует расстояние в 1400 км. Следовательно, можно сказать, что спутник, период обращения которого 1,5 часа, на широте 50 градусов будет наблюдаться при каждом последующем

Круговая орбита спутника в экваториальной плоскости, двигаясь по которой он находится всё время над одной и той же точкой экватора, называется геостационарной. Почти половина земной поверхности может быть связана со спутником на синхронной орбите прямолинейно распространяющимся сигналами высоких частот или световыми сигналами. Поэтому спутники на синхронных орбитах имеют большое значение для системы связи.

Типы искусственных спутников Земли.

       Астрономические спутники — это спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. Потребность в таком виде обсерваторий возникла из-за того, что земная атмосфера задерживает гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение космических объектов, а также большую часть инфракрасного. Космические телескопы оборудуют устройствами для сбора и фокусировки излучения, а также системами преобразования и передачи данных, системой ориентации, иногда двигательными системами.

        Биоспутники — это спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами, в условиях космоса.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли - используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии.

       Космические станции — предназначены для кратковременного пребывания людей на околоземной орбите с целью проведения научных исследований в условиях космического пространства, разведки, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты, астрономических наблюдений и т. п.

       Метеорологические спутники — это спутники предназначенные для передачи данных в целях предсказания погоды, а также для наблюдения климата Земли

      Малые спутники — спутники малого веса (менее 1 или 0.5 тонн) и размера. Включают в себя миниспутники (более 100 кг), микроспутники (более 10 кг), и наноспутники (легче 10 кг)

Разведывательные спутники - спутник для наблюдения Земли или спутник связи, применяющийся для разведки.

       Навигационные спутники - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

       Спутники связи - искусственный спутник Земли, специализированный для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности земли, не имеющими прямой видимости.

Обзор конструкции, схем и ТТХ некоторых ИСЗ

        Рассмотрим различные конструкции, схемы и назначение различных искусственных спутников Земли, а именно первого ИСЗ «Спутник-1» и ИСЗ «Юбилейный»

Первым из них будет Спутник-1.

Спутник-1 — первый искусственный спутник Земли, был запущен на орбиту в СССР 4 октября 1957 года.

Кодовое обозначение спутника — ПС-1 (Простейший Спутник-1). Запуск осуществлялся с 5-го научно-исследовательского полигона министерства обороны СССР «Тюра-Там» (получившего впоследствии открытое наименование космодром Байконур) на ракете-носителе «Спутник» (Р-7).

Над созданием искусственного спутника Земли, во главе с основоположником практической космонавтики С. П. Королёвым, работали ученые М. В. Келдыш, М. К. Тихонравов, Н. С. Лидоренко, В. И. Лапко, Б. С. Чекунов, А. В. Бухтияров и многие другие.

       Возможность создания искусственного спутника Земли теоретически обосновал ещё Ньютон. Он показал, что существует такая горизонтально направленная скорость  при которой тело, падая на Землю, тем не менее на нее не упадет, а будет двигаться вокруг Земли, оставаясь от неё на одном и том же расстоянии. При такой скорости тело будет приближаться к Земле вследствие её притяжения как раз на столько, на сколько из-за кривизны поверхности нашей планеты оно будет от неё удаляться (рис. 3.14). Эта скорость, которую называют первой космической (или круговой), известна вам из курса физики:

       Практически осуществить запуск искусственного спутника Земли оказалось возможно лишь через два с половиной столетия после открытия Ньютона — 4 октября 1957 г. За время, прошедшее с этого дня, который нередко называют началом космической эры человечества, искусственные спутники самого различного устройства и назначения заняли важное место в нашей повседневной жизни.

       Они обеспечивают непрерывный мониторинг погоды и других природных явлений, трансляции телевидения и т. п. Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС и другие системы глобального позиционирования позволяют в любой момент с высокой степенью точности определить координаты любой точки на Земле. Пожалуй, нет в наши дни ни одной глобальной проблемы, в решении которой не принимали участие искусственные спутники Земли (ИСЗ).

       Космические аппараты (КА), которые направляются к Луне и планетам, испытывают притяжение со стороны Солнца и согласно законам Кеплера так же, как и сами планеты, движутся по эллипсам. Скорость движения Земли по орбите составляет около 30 км/с. Если геометрическая сумма скорости космического аппарата, которую ему сообщили при запуске, и скорости Земли будет больше этой величины, то КА будет двигаться по орбите, лежащей за пределами земной орбиты. Если меньше - то внутри орбиты Земли. В первом случае, если аппарат летит к Марсу (рис. 3.15) или другой внешней планете, энергетические затраты будут наименьшими, если КА достигнет орбиты этой планеты при своём максимальном удалении от Солнца — в афелии. Кроме того, необходимо так рассчитать время старта КА, чтобы к этому моменту в ту же точку своей орбиты пришла планета. Иначе говоря, начальная скорость и день запуска КА должны быть выбраны таким образом, чтобы КА и планета, двигаясь каж- дыи по своей орбите, одновременно подошли к точке встречи. Во втором случае — для внутренней планеты — встреча с КА должна произойти в перигелии его орбиты (рис. 3.16). Такие траектории полётов называются полуэллиптическими. Большие оси этих эллипсов проходят через Солнце, которое находится в одном из фокусов, как и полагается по первому закону Кеплера.

      Конструкция и оборудование современных КА обеспечивают возможность совершения ими весьма сложных манёвров — выход на орбиту спутника планеты, посадка на планету, передвижение по её поверхности и т. п.

Вопросы

1. Почему движение планет происходит не в точности по законам Кеплера?

2. Как было установлено местоположение планеты Нептун?

3. Какая из планет вызывает наибольшие возмущения в движении других тел Солнечной системы и почему?

 4. Какие тела Солнечной системы испытывают наибольшие возмущения и почему?

5. По каким траекториям движутся космические аппараты к Луне; к планетам?

 6*. Объясните причину и периодичность приливов и отливов.

 7*. Будут ли одинаковы периоды обращения искусственных спутников Земли и Луны, если эти спутники находятся на одинаковых расстояниях от них?