Реактивний рух. Будова та принцип дії реактивних двигунів. Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія



Скачати 129.66 Kb.
Дата конвертації17.02.2017
Розмір129.66 Kb.
Тема: Реактивний рух. Будова та принцип дії реактивних двигунів. Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія.

Мета: дати визначення кінетичної енергії тіла, сформулювати уявлення про повну механічну енергію, розвивати уміння розв’язувати задачі, пов’язані з енергією тіла, виховувати дбайливе відношення до приладів під час проведення експериментів.

Тип уроку: комбінований

Обладнання: демонстрація руху кульки, що скочується по похилій площині з різної висоти, руху тіла різної маси.

План уроку:

1. Організаційна частина.

2. Актуалізація опорних знань.

3. Вивчення нового матеріалу.

4. Закріплення вивченого матеріалу.

5. Домашнє завдання.



Хід уроку.

І. Організаційний момент.

Оголошення теми і мети уроку.



ІІ. Актуалізація опорних знань.

Слово «енергія» можна почути в телевізійних репортажах, побачити на шпальтах газет. Ним можна користуватися для характеристики людей (енергійний), природних явищ, машин, механізмів, побутових приладів. І як енергія пов’язана з роботою.

У повсякденному житті можна знайти багато різних тіл, при переміщенні яких може виконуватися робота. Так, випущена з рук кулька почне падати під дією сили тяжіння, яка виконуватиме роботу з переміщення кульки.

Стиснута пружина може підняти на певну висоту тягарець. Тут сила пружності виконає роботу з переміщення тягарця. Але як пов’язати роботу і енергію?

1. Чи на однакову відстань можна кинути камінь уперед: а) стоячи на землі; б) стоячи на ковзанах на льоду?

2. Метеорит згоряє в атмосфері, не досягаючи поверхні Землі.

Що відбувається при цьому з його імпульсом?

3. Чому людина може бігти по дуже тонкій кризі, але не може стояти на ній, не провалюючись?

4. Чи може людина, яка стоїть на ідеально рівному горизонтальному льодовому майданчику, зрушити з місця, не впираючись гострими предметами в лід?

5. Чому куля, вилетівши з рушниці, не розбиває шибку на осколки, а утворює в ній круглий отвір?

6. Щоб зійти на берег, човняр рушив від корми човна до його носової частини. Чому при цьому човен відійшов від берега?

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

1.  Визначення реактивного двигуна 

Сам термін „реактивний” походить від слова „реакція”. Поясню, що ж таке реакція взагалі з фізичної точки зору. Приміром, на столі чи на підлозі лежить предмет (маю на увазі в полі тяжіння). З силою F = mg цей предмет тисне на опору, і тільки тому предмет не рухається у полі тяжіння, що існує реакція опори, рівна за абсолютною величиною вазі предмета, тобто mg, але протилежно напрямлена (дві сили взаємно компенсуються). Це ж саме нам говорить третій закон Ньютона – закон дії і протидії. Правда даний закон – частковий випадок взаємодії тіл і справедливий лише у випадках статичних взаємодій та симетричного зіштовхування цілком однакових куль. 


Розглянемо такий приклад. Установимо звичайний електровентилятор на таці невеликої маси, на колесиках також невеликої маси і з невеликим коефіцієнтом тертя в осях, на рівній поверхні. Якщо після ввімкнення вентилятора струмінь повітря буде спрямований „на нас”, то реакція цього струменя буде спрямована „від нас”. У цьому ж напрямку (за реакцією повітряного потоку) вентилятор і покотиться. 

2. Принципова схема будови і роботи реактивного двигуна 









http://ua.coolreferat.com/dopb415506.zip










http://ua.coolreferat.com/dopb415508.zip

  
http://ua.coolreferat.com/dopb415510.zip пальне, що знаходиться в оболонці 
                                                   реактивне сопло 
http://ua.coolreferat.com/dopb415512.zip








































http://ua.coolreferat.com/dopb415515.ziphttp://ua.coolreferat.com/dopb415514.ziphttp://ua.coolreferat.com/dopb415514.zip




























































http://ua.coolreferat.com/dopb415513.zip



























































































Принципову схему будови і роботи реактивного двигуна показано на рис.1. 
Перед стартом ракети її загальний імпульс (оболонки і пального) у системі координат, зв’язаній із Землею, дорівнює нулю, бо вся ракета перебуває в спокої відносно Землі. Внаслідок взаємодії газу й оболонки газ, що викидається, набуває деякого імпульсу. Для спрощення знехтуємо впливом сили тяжіння, тоді оболонку і пальне можна вважати замкненою системою. Загальний імпульс вказаної замкненої системи після запуску також має дорівнювати нулю, тому оболонка через взаємодію з газом набуває імпульсу, рівного за абсолютною величиною, але протилежного йому за напрямком. Ось чому починає рухатися не тільки газ, а й оболонка ракети. 
Закон збереження імпульсу дає можливість визначити швидкість ракети (оболонки). Припускаємо, що газ, який утворюється під час згоряння пального, вихоплюється з ракети відразу, а не витікає поступово. Позначимо масу газу, в який перетворюється пальне в ракеті, через mг, а швидкість витікання газу через vг. Масу і швидкість оболонки позначимо через mоб і vоб. Тоді за законом збереження імпульсу

mгvг + mобvоб = 0, звідкиhttp://ua.coolreferat.com/dopb415516.zip (1) 


З даної формули видно, що швидкість оболонки ракети тим більша, чим більша швидкість газу, що викидається і чим більше відношення маси пального до маси оболонки. 

Більш точно реактивний рух характеризує рівняння Ціолковського, в якому відкинуто припущення про миттєвий викид газу (розглядається рух тіла змінної маси). Для виведення рівняння Ціолковського запишемо диференціальне рівняння руху ракети: 


http://ua.coolreferat.com/dopb415517.zip (2) 
де http://ua.coolreferat.com/dopb415518.zip і m – швидкість і маса ракети у довільний момент часу, u2 – відносна швидкість продуктів згоряння на виході з двигуна (вектор http://ua.coolreferat.com/dopb415519.zip, як відносну швидкість повітря, що поступає до двигуна, опущено, так як вважають http://ua.coolreferat.com/dopb415520.zip). Вектори http://ua.coolreferat.com/dopb415521.zip таhttp://ua.coolreferat.com/dopb415522.zip спрямовані в протилежні боки, тому рівність (2) набере виглядуhttp://ua.coolreferat.com/dopb415523.zip (3) 
Інтегруючи (3) при u2 = const отримаємо рівняння Ціолковського: 
http://ua.coolreferat.com/dopb415524.zip (4) 
де v0 і m0 – початкові значення швидкості і маси ракети в момент часу t = 0. 
3. Область застосування реактивного двигуна 

Нині реактивні двигуни застосовують у трьох областях: космонавтиці, військовій галузі та авіації. 

Ракети дають можливість виводити на навколоземні орбіти та у міжпланетний простір космонавтів та вантажі. Таким чином реалізуються програми дослідження Землі та навколоземного простору, міжпланетного простору, Сонця, планет та їх супутників, передбачення погоди, визначення місцеположення об’єктів на Землі (GPS) та інші. Альтернативного типу двигуна для даних цілей поки що не існує. 
Військова галузь застосовує ракети для доставки військових зарядів до цілі. Міжконтинентальні балістичні ракети можуть доставляти ядерні та термоядерні заряди на великі відстані. На жаль, дана галузь застосовує реактивні двигуни в цілях знищення істот, собі подібних. 
На багатьох літаках, в тім числі і на цивільних, встановлено реактивні двигуни, що дало змогу збільшити швидкість їх приблизно в 10 разів у порівнянні з гвинтовими літаками. 

Енергія


Енергія — це фізична величина, що показує, яка робота може бути виконана при переміщенні тіла.

Можна навести ще багато різних прикладів із природи, з повсякденного життя, з техніки, в яких ідеться про тіла, які знаходяться в такому стані, що за певних умов може виконатися робота при їх переміщенні. Про такі тіла кажуть, що вони мають енергію. За різних умов результат виконання роботи може бути різним. Тому й енергія може мати різні значення та бути розрахована.

Одиниці енергії

Оскільки йдеться про можливість виконання роботи, то енергію доцільно вимірювати тими самими одиницями, що й роботу. Тому одиницею енергії є 1 Дж.



Види механічної енергії.

У фізиці розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну. Якщо тіло нерухоме, але на нього діє певна сила, то кажуть, що воно має потенціальну енергію.

Потенціальну енергію має тіло, підняте над поверхнею Землі, стиснута пружина, стиснутий газ, річкова вода у водоймищі тощо.

Як розраховують потенціальну енергію ?

Розраховують потенціальну енергію з урахуванням природи сил, які діють на ці тіла. Найпростіше розрахувати потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі, оскільки сила, яка діє на нього, залишається практично сталою протягом усього часу його руху під дією цієї сили.

Нехай тіло масою m знаходиться на висоті h над землею. Якщо воно впаде на поверхню, то буде виконана робота

А = Fs = mgh.

Отже, про таке тіло можна сказати, що воно має потенціальну енергію

Еп = mgh.

Потенціальна енергія тіла, піднятого над поверхнею Землі, пропорційна масі тіла і його висоті над поверхнею Землі.

При розрахунках потенціальної енергії важливо пам'ятати, що висота h є шляхом, яке тіло пройде у вертикальному напрямі. Отже, завжди треба вказувати, відносно якої поверхні визначається потенціальна енергія. Наприклад, тіло масою 2 кг, підняте над столом на висоту 1,5 м, матиме потенціальну енергію приблизно 30 Дж, а потенціальна енергія цього тіла, розрахована для висоти 3 м над підлогою, буде 60 Дж.

Здатність виконати роботу має i всяке рухоме тіло, так сталева кулька, що скочується з похилої площини, пересуває дерев’яний брусок на деяку відстань, при цьому виконується робота.

Потенціальна енергія деформованих тіл широко використовується:

1. Батут, будучи деформованим, підкидає гімнаста вгору.

2. Натягуючи тятиву, лучник виконує роботу і надає пружно деформованому тілу потенціальної енергії.

3. Енергію пружин використовують у годинниках, метрономах тощо.

4. Завдяки пружинам-ресорам поїздка автомобілем є комфортною.

Кінетична енергія

Спостереження за явищами природи показують, що робота може виконуватися при русі тіл. Так, тепловоз, рухаючись колією, стикається з вагоном і зміщує його на деяку відстань. Виконується робота і в тому випадку, коли кинутий камінь пробиває кригу. Вистрілена з рушниці куля пробиває дошку тощо. Якщо потенціальну енергію мають тіла, на які діє сила, то в перелічених вище прикладах робота виконується тому, що вони здійснювали переміщення, рухалися.

Яку енергію мають рухомі тіла?

Кінетична енергія є фізичною величиною, і її значення можна розраховувати. Для цього треба знати, від яких фізичних величин вона залежить.

Енергію рухомого тіла називають кінетичною енергією.

Як розраховують кінетичну енергію?

Поставимо жолоб під деяким кутом до поверхні стола. На деякій відстані від його нижнього кінця покладемо брусок. На середній частині жолоба розмістимо маленьку стальну кульку і відпустимо її. Скотившись із жолоба, кулька вдариться об брусок і перемістить його на деяку відстань. Відмітимо відстань, на яку зміститься брусок.

Розмістимо кульку у верхній частині жолоба і відпустимо її. У цьому випадку, скотившись жолобом до основи, кулька набуває більшої швидкості, ніж раніше. Ударившись об брусок, вона перемістить його на більшу відстань, ніж у попередньому досліді, виконавши відповідно більшу роботу.

Отже, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Ця залежність нелінійна, що помітно на графіку залежності кінетичної енергії тіла від його швидкості, який має вигляд кривої лінії.

Наслідки зіткнення автомобілів цу випадку, коли вони рухаються назустріч один одному, будуть завжди більш відчутними, ніж тоді, коли один автомобіль наздоганяє другий. Кінетична енергія залежить і від маси тіла. Якщо повторимо попередні досліди з кулькою більшої маси, то побачимо, що переміщення бруска в цьому випадку буде більшим. Ця залежність лінійна, тому можна сказати, що кінетична енергія тіла пропорційна його масі.

Як розрахувати кінетичну енергію

Кінетичну енергію різних тіл використовують для виконання механічної роботи. Так, досвідчені водії автомобілів час від часу від'єднують двигун від коліс, вимикаючи зчеплення, і цим економлять паливо. Робота з подолання сил тертя виконується за рахунок кінетичної енергії автомобіля, який рухається з деякою швидкістю. Конструктори працюють над розробкою моделі міського автобуса, який рушає з місця за рахунок енергії розкрученого під час зупинки важкого маховика. Це дає можливість суттєво зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу та економити паливо.

У південних областях України, зокрема на Кримському півострові, використовують вітрові електростанції, які працюють за рахунок кінетичної енергії рухомого повітря — вітру.

Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною (від грецького кінема — рух).

Від чого залежить кінетична енергія? Якщо скочувати кульку з різних висот то можна помітити, що чим з більшої висоти скочується кулька, тим більша її швидкість i тим далі вона пересуне брусок, тобто, виконає більшу роботу.

Значить, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Так, за рахунок швидкості, більшу кінетичну енергію має куля, що вилітає з ствола гвинтівки.

Кінетична енергія тіла залежить i від його маси. Ще раз звернемось до досліду. Будемо скочувати з похилої площини другу кульку - більшої маси. Брусок пересунеться на більшу відстань, тобто, буде виконана більша, ніж у попередньому випадку, робота. Отже, i кінетична енергія другої кульки більша ніж першої.

Чим більша маса тіла i швидкість, з якою воно рухається, тим більша його кінетична енергія.

Кінетична енергія тіла залежить від його маси та швидкості, і визначається за формулою:



Eк =(m•v2)/2, де m - маса тіла, v – його швидкість

На ріках будують греблі, піднімаючи таким чином рівень води. Падаючи вниз, вода обертає турбіну. При цьому спеціальний генератор виробляє електричну енергію. Робота, виконана турбіною, залежить не лише від кількості води, що падає на неї, але й від швидкості води. Отже, вода також має кінетичну енергію.

Перетворення енергії.

Всі тіла в природі відносно нульового значення мають або потенціальну, або кінетичну енергію, або ту чи іншу разом взяті. Наприклад, літак, що летить, має відносно Землі i кінетичну i потенціальну енергії.

При падінні каменя під дією сили падіння відбувається перехід його потенціальної енергії в кінетичну.

Піднятий над поверхнею Землі м'яч має певну потенціальну процесі падіння швидкість м'яча збільшується, тобто збільшується його кінетична енергія. Внаслідок виконання роботи силою тяжіння кінетична енергія м'яча збільшилася. Проте зменшилася потенціальна енергія. Отже, можна сказати, що кінетична і потенціальна енергії пов'язані одна з одною. Зі збільшенням кінетичної енергії зменшується потенціальна енергія, і навпаки. Кинутий вгору м'яч має спочатку велику швидкість і відповідно кінетичну енергію. При підніманні м'яча вгору збільшується його потенціальна енергія, але швидкість і кінетична енергія м'яча поступово зменшуються.

Отже, тіло одночасно може мати як кінетичну, так і потенціальну енергії.

Який зв'язок між кінетичною і потенціальною енергією тіла

Мірою зміни кінетичної і потенціальної енергій є робота. При зміні потенціальної енергії тіла, що рухається вниз, виконується робота силою тяжіння. За рахунок цієї роботи відбувається збільшення кінетичної енергії. Якщо на дане тіло не діють сили тертя, то його повна механічна енергія залишається сталою. Це один із важливих законів природи, який потрібно враховувати при розрахунках параметрів руху тіл.

Енергія притаманна всім явищам у природі.

Поняття енергії є універсальним. Воно стосується усіх природних процесів. Так, якщо брусок при ковзанні вниз похилою площиною зменшує свою швидкість аж до повної зупинки, то дошка похилої площини і сам брусок нагріваються. Розрахунки енергії, яка перетворилася в теплову, покажуть, що зміна механічної енергії бруска дорівнює тепловій енергії. Тому закон збереження і перетворення механічної енергії є окремим проявом більш загального закону природи - закону збереження і перетворення енергії.

Енергія ні з чого не виникає і не зникає безслідно. Вона лише перетворюється в рівній мірі з одного виду в інший.



IV. Закріплення матеріалу

1. Швидкість автомобіля збільшилась від 10 до 20 м/с. У скільки разів збільшилася його кінетична енергія?

2. Після удару об стіну напрям швидкості м’яча змінився, але модуль швидкості залишився тим же. Як змінилася кінетична енергія м’яча?

3.  Які перетворення енергії відбуваються під час руху каменя, кинутого вгору? Опором повітря можна знехтувати.

4.  Опишіть, не роблячи розрахунків, як змінюється потенціальна і кінетична енергія літака під час зльоту та посадки.

5.  Два електропоїзди рухаються відносно землі з однаковою швидкістю, але перший має шість, а другий – дев’ять вагонів. Який з них має більшу кінетичну енергію?

6. М’яч під час баскетбольного матчу кинуто в напрямку кільця. Обчисліть повну механічну енергію м’яча на висоті 3м, якщо на цій висоті він рухається зі швидкістю 10 м/с. Маса м’яча становить 400г. за нульовий рівень потенціальної енергії візьміть рівень підлоги спортивної зали.

V. Домашнє завдання: 

Вивчити конспект.






Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал