53565

Практичне заняття щодо використання Законів Кеплера

Конспект урока

Педагогика и дидактика

На уроках астрономії в школі обмежується як правило вивченням формулювань і використанням законів для розрахунку параметрів руху планет сонячної системи відповідно до третього закону. Кеплера і практично використати їх для розрахунку часу мандрівки до планет сонячної системи. Всі планети обертаються навколо Сонця по еліптичним орбітам в одному з фокусів яких знаходиться Сонце; 2.Радіусвектор планети за рівні проміжки часу замітає однакові площі; 3.

Украинкский

2014-02-28

1.73 MB

1 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 4

Урок №5   астрономії в 11 класі.

Розробив: учитель 1 категорії КЗОСЗОШ № 19 м. Дніпропетровська          Сидоренков Є.Є.

Консультант: доцент каф. фізики ДНУЗТ ім. академіка В.Лазаряна, к.т.н.        Гришечкін С.А.

Редактор: учитель – методист Пономаренко В.В.

Передмова.

Вивчення законів Й. Кеплера ( 1571р.-1630 р.) на уроках астрономії в школі  обмежується, як правило, вивченням формулювань і використанням законів для  розрахунку параметрів руху планет сонячної системи  відповідно до третього закону. Мета цієї розробки: розширити межі уявлення учнями про практичну цінність законів Й.Кеплера.

Тема: Практичне заняття щодо використання Законів Кеплера.  

Мета:Ознайомитись із  законами Й. Кеплера і практично використати їх для розрахунку часу  мандрівки до планет сонячної системи.

Теоретичні відомості.

Йохан Кеплер відкривав свої закони, спираючись на роботи датського вченого Тихо Браге (1546р.-1601р. ) і свої багатолітні спостереження. Результатом його праці стали три основних закони небесної механіки:

1. Всі планети обертаються навколо Сонця по еліптичним орбітам, в одному з фокусів яких знаходиться Сонце;

2.Радіус-вектор планети за рівні проміжки часу «замітає» однакові площі;

3.Відношення квадратів періодів обертання планет дорівнює відношенню кубів великих на- півосей:      =         (1).

Важливою гіпотезою великого І.Н’ютона була та, що і інші тіла обертаються по еліптичним орбітам навколо центрів тяжіння, наприклад, супутники навколо планет, а вільне падіння тіла  і  його обертання по еліптичній траєкторії за своєю природою однакові. Гіпотеза привела до відкриття закону всесвітнього тяжіння:

F=G·          (1),

де М – маса планети,m- маса супутника, R- відстань між взаємодіючими тілами.  Цей закон  не міг бути відкритим  без спадщини Й.Кеплера.

Для подальшої роботи на уроці знадобиться використання відомого   кінематичного рівняння рівномірного обертального руху: φ(t) = φ0+Wt, де φ- кути в радіанах,W- кутова швидкість обертання.

Постановка задачі.

Міжпланетні подорожі - давня мрія людства. Основні питання, що ставляться для її здійснення: яким способом  здійснити переліт і скільки для цього знадобиться часу?  Для вирішення цих задач учені спираються на закони Й.Кеплера і І.Нютона.

Німецький учений  В. Гоман запропонував використовувати еліптичні траєкторії (гомановські траєкторії) для таких подорожей, оскільки сама природа підказала їх вигляд з точки зору мінімізації енергетичних  витрат. Український учений Ю.В. Кондратюк (О.Г.Шаргей)(1897р.- 1941р.)  у січні

1929 р. опублікував свою книгу «Завоювання міжпланетних просторів», в якій детально описав спосіб здійснення міжпланетної подорожі так званою «трасою Кондратюка».

Основні ідеї використання таких траєкторій полягають у тому, щоб з мінімальними витратами енергії довести літальний апарат по еліптичній траєкторії до точки простору, де він зустрінеться з іншою планетою, яка опиниться там завдяки своєму  природному руху.

На малюнку 1 наведена схема міжпланетного перельоту. Планети 1  і 2 мають свої траєкторії руху навколо  Сонця С.   Літальний апарат має еліптичну траєкторію, яка перетинає  траєкторії планет. Цілком зрозуміло, з малюнку, що еліпс, який  є траєкторією руху літального апарату, має свою велику напіввісь:

а = (R1+R2)/2           (2),

де R1і R2- відповідні напівосі обертання планет навколо  Сонця. Залишається тільки стартувати в потрібний час з планети 1.

Рішення задачі.

 

На малюнку 2  наведено положення планет 1 і 2, літального апарату ЛА і траєкторії руху. В точку А рухаються планета 2 і ЛА. Від точки старту на планеті 1  до точки А літальний апарат пройде шлях, що дорівнює половині одного повного оберту. За третім  законом Й.Кеплера:

      

                                               (3),

де Т1- період  обертання планети1, Тла – період обертання ЛА, R1, а - великі напівосі обертання планети 1 і літального апарату відповідно. Якщо припустити, що планетою 1 буде Земля, то R1= 1 а.о., Т1= 1рік. В такому випадку:

Тла =                                   (4).

Половина шляху повного оберту ЛА займе половину часу Тла:

t= 0,5 Тла= 0,5=0,5         (5).

Згідно цієї формули розраховується час на подолання ЛА відстані від Землі, до точки  А зустрічі з планетою 2.  

Для розв’язання задачі скористаємося довідниковими значеннями Rі Т для планет сонячної системи.

Таблиця №1. Параметри руху планет.

Планета

Меркурій

Венера

Земля

Марс

Юпітер

Сатурн

Уран

Нептун

Т,рік

0,24

0,62

1

1,88

11,86

29,46

84,1

164,79

R,а.о.

0,39

0,72

1

1,52

5,2

9,54

19,18

30,06

Розрахуємо параметри перельоту на прикладі подорожі до Марсу.

Проведемо розрахунок  половини періоду обертання ЛА   (час вимірюємо в роках, а відстані - в астрономічних одиницях):

   tла = 0,5 =0,707 року =258 діб.

Аналогічні розрахунки маємо можливість  провести для інших планет.

Розглянемо  початкові умови старту ЛА. Для того, щоб Марс і літальний апарат досягли одночасно точки А ( дивись мал. 2), потрібно,щоб старт ЛА відбувався в той час, коли Марсу залишається рухатися до точки А відрізок часу, що дорівнює  tла. Відношення періодів руху Землі і Марса складає:1,88 на користь Марса, таким же є і обернене відношення кутових швидкостей:

= 1,88. Таким чином, запуск літального апарату з поверхні Землі повинен відбуватися в той момент, коли  кут між напрямом на Землю( планета1) і на Марс (планета2) сягне:

φ0=    tла (                                (6),

де , - кутові швидкості летального апарату і Марсу відповідно.

Розрахуємо кут φ0:

φ0= tла ·2π ·(  -  ) = 0,707р· 2π( - ) = 0,248 π рад = 44,60.

До моменту зустрічі планети і літального апарату Земля пройде кутову відстань, яка дорівнюватиме куту між напрямами С1 і СВ (див. мал. 2).

Оскільки мандрівка ЛА продовжується tла років, то Земля випередить Марс на кут між напрямами СВ і СА: ∆φ = tла ( - φ0             (7).

Розрахуємо кутове випередження:

∆φ = tла ·2π ·(  -  ) - φ0 = 0,707 р ·2π·(  - )- 0,248π= 0,41π=

1,3 рад=74,50.

Таким чином, Земля випереджає Марс на 74,5 градуса в кінці мандрівки ЛА на Марс (див.мал.2).

Щоб повернутися назад на Землю з Марса треба виконати початкові умови: стартувати в потрібний момент часу. Стартувати від  Марса потрібно в момент кутового відставання Землі від Марса на кут ∆φ. Тільки в такому випадку ЛА і Земля витрачають однаковий час для переміщення в точку зустрічі. Після посадки на  Марс  такі умови настануть через час ∆t, який можна вирахувати з кінематичного рівняння обертального руху планет в системі обертання Марса:

2π -2∆φ =  ∆W∆ t         (8),

де ∆W- різниця кутових швидкостей планет.

 ∆t =  =  років = 1,26 років=460 діб.

Після відриву від Марса  витрачається ще час tла для мандрівки з Марса на Землю. Загальний час мандрівки на Марс складе τ= 976 діб.

Для розрахунку параметрів мандрівки на внутрішні планети сонячної системи (Меркурій і Венеру ) потрібно враховувати , що кутова швидкість цих планет більша, ніж у Землі. Рівняння 6,7,8 будуть мати наступний вигляд відповідно:

φ0=    tла (;  ∆φ = tла ( - φ0;  

2π -2∆φ =  ∆W∆ t , де  tла- час мандрівки ЛА на внутрішню планету, який дорівнює половині періоду обертання ЛА по гоманівській траєкторії,    - відповідні кутові швидкості планети, Землі і літального апарату.

При розрахунках кутів обертання  для великих зовнішніх планет треба враховувати додаткові   оберти Землі навколо Сонця, додаючи в рівняння фазу 2π для кожного оберту. Наприклад, для Юпітера  рівняння  (8) має вигляд:  4π -2∆φ = ∆W∆ t.

Треба зауважити на те, що швидкість руху ЛА пов’язана лише з рухом планет і не залежить від технічних характеристик літального апарату. Його технічні можливості повинні повністю відповідати вимогам законів небесної механіки, які відкрив Й.Кеплер.

Аналогічними розрахунками ми маємо можливість визначити час і умови космічних подорожей до інших планет сонячної системи.

Ці розрахунки учні повинні зробити самостійно з використанням таблиці №1, і рівнянь 5,6,7,8. Результати розрахунків занесемо  в таблицю № 2.

Таблиця 2. Результати розрахунків для подорожей до планет сонячної системи.

Планета

Меркурій

Венера

Юпітер

Тп, роки

0,24

0,62

11,86

R, а.о.

0,39

0,72

5,2

t ла, роки

0,29

0,4

2,73

φ0,град

255,5

52,2

277(88)

∆φ, град

75

36

262,5(97,5)

∆t, доба

67

486

219

τ, доба

278,7

778

2212

Всі розрахункові формули наведені нижче.

 tла= 0,5 Тла= 0,5=0,5;   φ0= tла ·2π ·(  -  );

∆φ = tла ·2π ·(  -  ) - φ0; 2π -2∆φ = ∆W∆ t; τ = ∆t + 2 tла.

Висновки:

1. Закони Й.Кеплера стали початком   космічної ери людства.

2.Подорожі  людини до інших планет  сонячної системи цілком реальні.

3. Учні школи мають можливість на уроках астрономії отримати уяву про значення і використання фундаментальних законів фізики в нашому житті.


Перелік використаної літератури і джерела інформації.

1. Воронцов-Велямінов Б.А.,Страут Є.К., Астрономія  11 клас, ПОВ «Дрофа», Москва,2002р.

2.Пришляк М.П., Астрономія 11 клас, «Ранок», Харків,2005р.

3.Климшин І.А.,Крячко І.П., Астрономія 11 клас, «Знання України»,2003р.

4.А.Костюк, Уроки астрономії, «Підручники і посібники», Тернопіль 2003р.

5.Л.А.Кірик, К.П.Бондаренко, Астрономія,Самостійні роботи, «Гімназія»,Харков 2002р.

6.ММЦ м. Дніпропетровська, Електронні посібники БУФ 2011р.,2012р.


Й. Кеплер

R1

R2

C

1

2

Мал. 1. Схема міжпланетної подорожі летального апарату по гоманівській траєкторії.

2

А

ЛА

С

Мал.2. Схема розташування  обєктів

φ0

в

∆φ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20325. Русский театр конца XX века 203 KB
  Началом того театра который нам привычен и знаком следует считать времена оттепели. Знаменитый двадцатый съезд КПСС перевернувший всю страну своим осуждением культа личности перевернул и театр. Появление театра ориентированного на современную драматургию и пытающего осмыслить происходящее сегодня было только делом времени.
20326. Костюм сценический и бытовой 307.5 KB
  В понятие одежды входят платье то что покрывает непосредственно тело человека обувь головные уборы. Основная функция одежды защитная физическая и моральная защита и утилитарнопрактическая так как одежда всегда связана с какойлибо практической деятельностью человека имеет определенное назначение помогая человеку приспосабливаться к окружающему миру. Любой предмет одежды это вещь которой пользуются и которая выполняет одну или несколько функций. Ношение одежды это процесс потребления данного продукта.
20327. Романтизм в европейской и русской культуре. Философско-эстетические принципы и художественная практика 7.05 MB
  Для Аристотеля эстетика это проблемы поэтики и общефилософские вопросы природы красоты и искусства; для Платона вопросы государственного контроля над искусством и роли последнего в воспитании человека. Для Тертуллиана и Фомы Аквинского эстетика аспект богословия решение задачи: с помощью искусства нацелить человека на служение Богу. У Гегеля эстетика сужает свой предмет до обширного царства прекрасного строже говоря до искусства и притом не всякого а именно изящного искусства. А свое назначение эстетика видит в определении...
20328. Основные тенденции развития русского театра 60-70-х годов XX века 62.5 KB
  Соцреалистический диктат сказался и на театре. От постановщиков требовали сдачу спектакля по частям это вело к мелочной опеке над авторами вносило нервозность в театральные коллективы и затягивало постановку новых спектаклей. Театры ставили в сезон не более 23 новых пьес.
20329. Освещение современного спектакля 59 KB
  Различные виды декорационного оформления требуют соответствующих приемов освещения. Плоскостные живописные декорации требуют общего равномерного освещения которое создается осветительными приборами общего света софиты рампа переносные приборы. Спектакли оформленные объемными декорациями требуют местного прожекторного освещения создающего световые контрасты подчеркивающего объемность оформления. При использовании смешанного вида декорационного оформления соответственно применяется смешанная система освещения.
20330. Реализм в европейской и русской культуре Х!Х века (литература, музыка, театр, живопись) 5.61 MB
  Культура России во второй половине 19 века План 1. Развитие просвещения и науки Отмена крепостного права и рост небывалыми темпами производительных сил самым непосредственном образом сказались на развитие культуры во второй половине 19 века. К концу века успехи в деле народного обучения были очевидны.
20331. Английский и испанский театр эпохи Возрождения 223.5 KB
  Вершиной испанской драматургии стало творчество Лопе де Вега художника глубоко народного великолепного мастера сценической интриги населившего сотни своих пьес бесчисленным множеством типов легко узнаваемых в тогдашней Испании и ставших достоянием всего человечества. Новаторской драматургией можно назвать творчество Лопе де Вега 15621635 написавшего сотни пьес в годы когда в Испании свирепствовала инквизиция. Пьесы Лопе де Вега стали достоянием человечества но вершиной театрального искусства эпохи Возрождения является...
20332. От античности до наших дней (техническое оборудование сцены и искусство театра) 52 KB
  найти Бояджиева Театр от греч. thйatron место для зрелищ зрелище тип архитектурной постройки предназначенной для театральных представлений. Первые театральные здания появились предположительно в VI в.
20333. Художественные течения в Западной Европе и в России конца XIX- начала XX века 199.5 KB
  В это время еще жили и работали крупнейшие мастера и преобразователи европейского искусства XIX в. Бельгийский живописец и скульптор Константин Менье 1831 1905 обращаясь к теме рабочего класса и выдвигая ее на передний план искусства осознает значимость труда рабочих и трагическую участь трудового человека. Они сделали попытку романтического бегства от действительности в царство красоты в изображение высших потусторонних сущностей и идеализированное невозвратное прошлое Мир искусства и др. Многие в своих экспериментах по...