Тема 2: Штучні супутники Землі ( 2 год.)

Мета: Сформувати уявлення студентів про основні закони космічних польотів; навчити розраховувати першу та другу космічну швидкість і орбітальну швидкість супутників; розвивати наполегливість у засвоєнні законів природи.

План

1. Космос та основні етапи його освоєння.

2. Штучні супутники Землі.

3. Екологічний вплив ШСЗ.

Література

1. В. Ф. Дмітрієва.Фізика.-К.:Техніка, 2008.-648 с.

2. В.Г. Барахтяр, Ф.Я.Божинова. Фізика.-Х.:Ранок,2010.-256 с.

1. Світовий простір, який оточує Землю, називають грецьким словом космос. У повсякденному житті під цим поняттям розуміють простір поза межами земної атмосфери. Космос з давніх-давен привертав до себе увагу людей, які спочатку прагнули лише злетіти в повітря, щоб оглянути Землю з висоти пташиного польоту. Коли ж люди навчилися літати і ця мрія збулася, постала проблема польоту за межі атмосфери, в космос. Він приваблював це тільки своєю загадковістю, а й новими можливостями для діяльності людини. В умовах космічного вакууму можна забезпечити тривалий час руху космічного апарата без витрати палива. Першим, хто оцінив можливості реактивних двигунів для польотів у космос, був російський учений К.Е.Ціолковський, який у 1903 р. описав свої міркування щодо цього і зробив відповідні розрахунки у праці “Дослідження космічних просторів реактивними приладами”. Дещо пізніше до такої самої думки самостійно дійшов і наш співвітчизник, уродженець України Ю. В. Кондратюк (О.Г.Шаргей), який розробив свою теорію економічного космічного польоту і принципові схеми необхідних для цього космічних апаратів, стійких і керованих у польоті. Праці К.Е.Ціолковського і Ю.В.Кондратюка започаткували великі космічні програми в США, СРСР та інших країнах світу. Великий внесок у розробку космічних апаратів зробили вчені С.П.Корольов, М.К.Янгель, В.Браун та інші. Завдяки їхній натхненній праці 4 жовтня 1957 р. у СРСР було запущено перший штучний супутник Землі. 12 квітня 1961 р. радянський громадянин Юрій Гагарін став першим в історії людства пілотом космічного корабля “Восток”. Одним із визначних досягнень космічної програми США став політ космічного корабля “Аполлон”, який дав можливість астронавту Нілу Армстронгу в 1969 р. здійснити першу прогулянку по поверхні Місяця. У 1997 р. здійснив подорож у космос і громадянин незалежної України Леонід Каденюк, який провів серію наукових експериментів на кocмiчнoму кopaблі “Шаттл”.

2. Цікавим і важливим випадком руху тіла під дією сили тяжіння є рух штучних супутників. В одній зі своїх книг Ньютон пропонував уявити собі, що на дуже високій горі встановили величезну гармату і стріляють із неї в горизонтальному напрямі. Чим більшою буде швидкість снаряда, тим далі він полетить. І якщо швидкість снаряда буде достатньо великою, він облетить усю Землю по коловій орбіті, тобто стане штучним супутником Землі. Швидкість, яку потрібно надати тілу для того, щоб вона стало штучним супутником Землі, називають першою космічною швидкістю.

Обчислимо першу космічну швидкість для супутника, який обертається навколо Землі по коловій орбіті на невеликій висоті h (h<<R). У цьому випадку доцентрове прискорення супутника дорівнює прискоренню вільного падіння: a=g. Але доцентрове прискорення а= , де R – радіус Землі, =g, v= . Якщо підставити в цю формулу g=9,8 м/с² і R= 6,37·10⁶м, то v≈7,9·10³м/с.

Н адати такої швидкості тілу не просто. Тільки 4 жовтня 1957 р. вперше в історії людства вченим і інженерам колишнього СРСР вдалося за допомогою потужної ракети надати першої космічної швидкості тілу масою 83 кг, яке й стало першим штучним супутником Землі.

Як запускають штучні супутники? Для того щоб це зробити, супутник за допомогою ракети-носія виводять у верхні шари атмосфери, а потім одночасно розганяють до першої космічної швидкості і піднімають до обчисленої висоти. При цьому на цій висоті вектор швидкості напрямлений перпендикулярно до радіуса кола, по якому супутник рухається.

Мінімальна швидкість, яка необхідна для того, аби супутник вийшов зі сфери земного тяжіння і став штучним супутником Землі і супутником Сонця, називається другою космічною швидкістю. Вона дорівнює v=11,2·10³м/с. Вперше друга космічна швидкість була досягнута в СРСР 2 січня 1959 р.

Мінімальна швидкість, яка необхідна для того, аби космічний корабель подолав притягання Сонця і віддалився в просторі Галактики, називається третьою космічною швидкістю. Її величина залежить від напряму запуску космічного корабля. Якщо запускати у напрямі орбітального руху Землі навколо Сонця, тоді вона дорівнюватиме 17 км/с. Якщо ж запускати корабель в бік, протилежний руху Землі, то третя космічна швидкість зростає до 73км/с.

3. У наш час у навколоземному просторі літають сотні штучних супутників, які є складними апаратами, що виконують різноманітні функції: ретранслюють телевізійні програми, охоплюючи значні за розмірами райони Землі; забезпечують всесвітній телефонний і комп'ютерний зв'язок; використовуються як маяки для морських і повітряних суден, точно визначаючи їхні координати; здійснюють наукові програми дослідження Землі; використовуються у системі національної безпеки великих держав. Навіть є супутники для підтримання аматорського радіозв'язку.

Розвиток авіації та космонавтики тісно пов'язаний з питаннями екології. Надзвичайно важливою економічною проблемою в наш час є руйнування озонового шару планети, виникнення та швидке розширення зони аномально низької концентрації озону над континентом Антарктида, утворення так званої «озонової дірки». Фахівці попереджають, що зменшення кількості озону призводить до зниження врожаїв тощо. Обґрунтовується можливість майже миттєвої загибелі людства від порушень мозкової діяльності у тому випадку, коли різко зменшити кількість озону на великих висотах над поверхнею Землі. Учені доводять, що основними причинами руйнування озонового шару є виробництво фреонів, польоти надзвукових літаків на великих висотах, ракет на твердому паливі, які виносять на орбіту космічні кораблі, викидаючи в озоносферу хлорні сполуки. Так, при кожному запуску штучного супутника Землі утворюється дірка на кілька кілометрів, яка затягується не так вже швидко. Навколоземний простір засмічується уже не функціонуючими космічними апаратами. Побічна дія космічної техніки відчувається не лише на земних орбітах, а й у навколишньому космічному просторі.

Дай відповідь.

1. Для чого досліджується космос?

2. Чому для польотів у космос застосовують лише апарати з реактивними двигунами?

3. Які українські вчені внесли суттєвий доробок у дослідження та освоєння космосу?

4. Як залежить траєкторія штучного супутника від космічних швидкостей?

5. Яка роль штучних супутників Землі та їх негативний вплив ?

Розв’яжи.

1. Яку швидкість має супутник Землі, який рухається по коловій орбіті на висоті 3,6·10⁶м над поверхнею Землі? Радіус Землі 6,4·10⁶, прискорення вільного падіння 10 м/с.

2. Перша космічна швидкість поблизу якоїсь планети радіусу 4000 км дорівнює 4 км/с. Яке прискорення вільного падіння на поверхні цієї планети?

3. Визначити другу космічну швидкість на поверхні Сонця, якщо його радіус 6,95*10⁸ м і прискорення вільного падіння 274м/с².

4. Визначити тривалість марсіанського року, якщо Марс віддалений від Сонця на 228 млн.км.

5. Період оберту Плутона - самої найдальшої планети Сонячної системи - складає 250 земних років. Визначити середню відстань Плутона від Сонця.