Реактивное движение. Ракеты
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока объяснить возникновение реактивного движения на основе закона сохранения импульса, вывести и применить формулу для определения скорости ракеты в простейшей модели, а также решить не менее двух заданий формата ОГЭ по теме.
- Сформировать представление о реактивном движении как движении тела, возникающем вследствие отделения его части с определённой скоростью.
- Научиться применять закон сохранения импульса к взаимодействию ракеты и выбрасываемых газов.
- Развивать умение анализировать физическую ситуацию, составлять модель, выбирать закон и проверять размерность полученного результата.
- Показать значение реактивного движения для космонавтики и инженерных профессий, снизить тревожность перед заданиями ОГЭ через разбор понятного алгоритма решения.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют интерес к физическим принципам космических полётов и современным техническим профессиям.
- Осознают ценность точного расчёта, ответственности и соблюдения правил безопасности при создании технических устройств.
- Понимают, что сложная задача ОГЭ может быть разделена на последовательные понятные шаги.
- Формируют позитивное отношение к совместному поиску решения и аргументированной проверке гипотез.
Метапредметные
- Выделяют известные и неизвестные величины, строят физическую модель движения ракеты.
- Извлекают информацию из схемы, текста задачи и таблицы величин, переводят единицы измерения в СИ.
- Планируют решение, контролируют промежуточные действия и оценивают правдоподобие ответа.
- Формулируют выводы, объясняют ход рассуждения партнёру и корректно сравнивают разные способы решения.
Предметные
- Знать понятия «реактивное движение», «импульс тела», «закон сохранения импульса».
- Уметь объяснять движение ракеты и воздушного шарика при выбросе части массы.
- Уметь записывать закон сохранения импульса для простейшей системы «ракета — газы».
- Уметь применять формулу $m_1v_1+m_2v_2=0$ для решения расчётных задач в рамках идеализированной модели.
- Владеть алгоритмом решения типичных заданий ОГЭ на импульс и реактивное движение.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осознают личную ответственность за результат групповой работы и достоверность физического объяснения.
- Соотносят изучаемое явление с возможным выбором инженерных, исследовательских и технических профессий.
- Преодолевают первоначальное затруднение при решении задачи через обращение к алгоритму и самопроверку.
- Проявляют готовность задавать вопросы, если отдельный шаг решения остался непонятным.
Регулятивные УУД
- Принимают учебную цель и формулируют последовательность действий для её достижения.
- Планируют решение задачи через этапы: модель, закон, формула, вычисление, ответ.
- Проверяют знак, единицы измерения и физический смысл полученной скорости.
- Исправляют ошибки после сравнения с эталоном и оценивают степень освоения темы.
Познавательные УУД
- Анализируют взаимодействие ракеты и выбрасываемых газов как систему тел.
- Устанавливают причинно-следственную связь между направлением движения газов и направлением движения ракеты.
- Моделируют физическую ситуацию с помощью векторов импульса и математического выражения.
- Сравнивают реактивное движение с отдачей при выстреле и движением воздушного шарика.
- Работают с текстом задания ОГЭ, выделяя условие, величины и требуемую физическую закономерность.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре и группе: читатель условия, составитель схемы, вычислитель, докладчик.
- Формулируют вопросы к условию и объясняют партнёру выбор закона сохранения импульса.
- Аргументируют ответ ссылкой на направление импульса и взаимодействие тел.
- Осуществляют взаимопроверку по критериям, корректно указывая сильную сторону и ошибку решения.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить надутый воздушный шарик, зажим или прищепку и свободное пространство для демонстрации его движения.
- Подготовить короткую видеодемонстрацию старта ракеты или схему ракеты с направлением выброса газов; при отсутствии видео использовать рисунок на доске.
- Распечатать карточки с заданиями трёх уровней: по одной карточке на каждого ученика, всего по числу учащихся в классе.
- Распечатать для каждой пары мини-алгоритм решения: «система — импульс до — импульс после — формула — вычисление — проверка».
- Подготовить стикеры трёх цветов для приёма «Светофор»: зелёные, жёлтые и красные по одному комплекту на ученика.
- Вывести на доску или слайд схему ракеты и газов со стрелками противоположных направлений, а также формулу закона сохранения импульса.
- Подготовить таблицу физических величин: масса в килограммах, скорость в метрах в секунду, импульс в килограммах на метр в секунду.
- Обеспечить проектор или интерактивную доску, маркеры, секундомер и калькуляторы по решению учителя.
- Подготовить эталон решения двух задач для самопроверки и критерии оценивания самостоятельной работы.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность и вызвать познавательный интерес через наблюдение за движением воздушного шарика.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает надутый воздушный шарик: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы начнём с маленького эксперимента, который связан с огромными космическими аппаратами. Посмотрите на шарик: пока я удерживаю отверстие, он неподвижен. Предскажите, что произойдёт, если отпустить его, и в какую сторону он полетит." | Наблюдают за шариком, формулируют прогноз: "Шарик полетит в сторону, противоположную выходящему воздуху". |
2 мин | Учитель отпускает шарик и фиксирует наблюдение: "Мы увидели, что шарик движется без толчка рукой. Его движение вызвано выбросом части содержимого. Где ещё используется такой принцип? Верно, в ракетах. Сегодня выясним, почему ракета движется вперёд и как это описывается физическим законом." | Называют возможные примеры: "ракета", "реактивный самолёт", "движение при отдаче"; записывают дату и тему урока. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Шарик показал нам явление, но пока не объяснил его количественно. Сейчас вспомним знания, которые помогут описать движение ракеты."
Этап 2. Актуализация знаний (6 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия импульса тела, замкнутой системы и закона сохранения импульса.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Вспомните, что называют импульсом тела. Запишите определение и формулу самостоятельно, затем сравните запись с соседом. Обратите внимание на направление импульса: это векторная величина." | Индивидуально записывают $\vec p=m\vec v$, обсуждают в парах, формулируют: "Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость". |
3 мин | Учитель выводит на доску вопрос: "Что можно сказать о суммарном импульсе замкнутой системы, если внешние силы не действуют или их действием можно пренебречь?" После ответов фиксирует закон: "Суммарный импульс замкнутой системы сохраняется. Именно этот закон понадобится нам при анализе ракеты." | Отвечают: "Суммарный импульс до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия"; записывают $\vec p_{до}=\vec p_{после}$. |
Запись в тетрадях
Импульс тела: $\vec p=m\vec v$. Закон сохранения импульса: $\vec p_{до}=\vec p_{после}$ для замкнутой системы.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили, что импульс имеет направление и что в замкнутой системе он сохраняется. Теперь проверим, какое затруднение возникает, если попытаться применить этот закон к стартующей ракете."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: выявить противоречие и совместно сформулировать учебную задачу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает схему ракеты и задаёт проблемный вопрос: "Ракета находится в космосе, где практически нет воздуха, от которого можно было бы оттолкнуться. Тогда почему она движется? Можно ли сказать, что ракета взаимодействует не с воздухом, а с другой частью самой системы?" | Обсуждают вопрос в парах и предполагают: "Ракета выбрасывает газы назад, поэтому сама получает импульс вперёд"; формулируют, что нужно рассматривать ракету и газы вместе. |
2 мин | Учитель организует приём "Снежный ком": "Сначала каждый сформулируйте цель урока одним предложением, затем объединитесь в пары и выберите наиболее точную формулировку. Цель должна содержать действие, а не только слова «узнать о ракетах»." | Формулируют цель: "Объяснить реактивное движение с помощью закона сохранения импульса и научиться решать задачи о движении ракеты"; называют этапы работы. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема поставлена: нужно объяснить движение ракеты без опоры на воздух. Для этого рассмотрим взаимодействие ракеты и газов как единой системы и выведем необходимое соотношение."
Этап 4. Открытие нового знания (10 мин)
Цель этапа: сформировать понятие реактивного движения и вывести его объяснение через закон сохранения импульса.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует на доске схему: неподвижная ракета с общей массой $M$ распадается на ракету массой $m_1$ и газы массой $m_2$. "До выброса система покоится, поэтому её импульс равен нулю. После выброса ракета получает скорость $v_1$ вперёд, а газы — скорость $v_2$ назад. Запишем закон сохранения импульса с учётом противоположных направлений." | Рассматривают схему, выбирают направление вправо положительным, записывают: $m_1v_1+m_2v_2=0$, если скорости заданы со знаками. |
4 мин | Учитель объясняет: "Перенесём второй член: $m_1v_1=-m_2v_2$. Знак минус означает противоположные направления. По модулям получаем $m_1v_1=m_2v_2$. Значит, чем больше импульс выброшенных газов, тем больше импульс ракеты. Это и есть реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части массы." | Записывают определение, объясняют направление движения ракеты и газов, формулируют вывод: "Суммарный импульс системы остаётся нулевым, поэтому импульсы ракеты и газов противоположны". |
3 мин | Учитель связывает новое знание с техникой: "Ракетный двигатель не толкается о воздух. Он выбрасывает продукты сгорания с большой скоростью. В реальной ракете масса уменьшается во время полёта, но для сегодняшних задач используем упрощённую модель. Она позволяет увидеть основной физический принцип и подготовиться к заданиям ОГЭ." | Сравнивают ракету с воздушным шариком и отдачей при выстреле; отвечают: "Во всех случаях части системы получают противоположные импульсы". |
Запись в тетрадях
Реактивное движение — движение тела, возникающее вследствие отделения от него части массы с некоторой скоростью. Для системы «ракета — газы»: $m_1v_1+m_2v_2=0$; по модулям $m_1v_1=m_2v_2$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы получили физическое объяснение реактивного движения и увидели, почему ракета и газы движутся в противоположные стороны. Теперь применим эту модель к конкретной задаче и проговорим каждый шаг решения."
Этап 5. Первичное закрепление. Разбор задачи (7 мин)
Цель этапа: отработать алгоритм применения закона сохранения импульса к задаче о ракете.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель записывает условие: "Ракета массой 1000 кг до выброса топлива покоилась. После выброса газов массой 10 кг газы получили скорость 500 м/с относительно ракеты. Найдите скорость ракеты в простейшей модели, считая скорость газов относительно Земли равной 500 м/с и пренебрегая изменением массы ракеты." Учитель спрашивает: "Что входит в систему и какой закон применяем?" | Выделяют систему «ракета — газы», записывают $p_{до}=0$, называют закон сохранения импульса. |
3 мин | Учитель ведёт решение по алгоритму: "Выберем направление движения ракеты за положительное. Тогда газы движутся со скоростью $-500$ м/с. Запишем: $1000v+10\cdot(-500)=0$. Переносим отрицательный член и получаем $1000v=5000$. Теперь найдём скорость." | Записывают формулу и вычисления: $1000v-5000=0$; $v=5$ м/с. Объясняют знак скорости газов. |
2 мин | Учитель задаёт вопрос ОГЭ-типа: "Как проверить ответ? Почему скорость ракеты оказалась меньше скорости газов?" Затем показывает критерий проверки: единица измерения, направление, разумность результата. | Отвечают: "Импульсы равны по модулю; масса ракеты больше массы газов, поэтому её скорость меньше"; сверяют решение с эталоном. |
Эталон решения
1. Система: ракета и выброшенные газы. 2. До выброса система покоится: $p_{до}=0$. 3. Выбираем направление движения ракеты положительным: $v_{газов}=-500$ м/с. 4. Закон сохранения импульса: $1000v+10\cdot(-500)=0$. 5. $1000v=5000$, поэтому $v=5$ м/с. 6. Ответ: скорость ракеты равна $5$ м/с и направлена противоположно движению газов.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "В задаче мы не угадывали формулу, а сначала выбрали систему и направление, затем записали закон сохранения импульса. По такому алгоритму будем выполнять самостоятельную работу."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (10 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное умение объяснять реактивное движение и решать задачи базового и повышенного уровня.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней и напоминает: "Сначала прочитайте условие полностью, подчеркните известные величины, нарисуйте направления скоростей. Затем выберите закон. Если возникнет трудность, используйте мини-алгоритм, это не подсказка, а правильная стратегия решения задачи ОГЭ." | Получают карточки, записывают номер варианта, составляют краткую запись и схему. |
5 мин | Учитель предлагает обязательное задание: "Надутый шарик массой 0,02 кг выпускает воздух массой 0,005 кг со скоростью 8 м/с. Считая шарик и воздух замкнутой системой и пренебрегая внешними силами, определите скорость шарика в упрощённой модели." Дополнительно предлагает задачу: "Тележка массой 2 кг выбрасывает груз массой 0,2 кг со скоростью 3 м/с назад. Найдите скорость тележки." | Решают индивидуально: для первой задачи записывают $0,02v-0,005\cdot8=0$, получают $v=2$ м/с; для второй записывают $2v-0,2\cdot3=0$, получают $v=0,3$ м/с. |
3 мин | Учитель выводит эталон на доску и организует самопроверку: "Поставьте рядом с решением знак плюс, если шаг выполнен верно, или знак вопроса, если нужно исправление. Ошибка — это указатель на шаг, который надо повторить. Проверьте единицы и направление движения." | Сверяют решение с эталоном, исправляют ошибки другим цветом, отмечают в листе самооценки: «могу выбрать систему», «могу записать закон», «могу проверить ответ». |
Эталон решения
Для шарика: $m_1v_1+m_2v_2=0$; $0,02v+0,005\cdot(-8)=0$; $0,02v=0,04$; $v=2$ м/с. Для тележки: $2v+0,2\cdot(-3)=0$; $2v=0,6$; $v=0,3$ м/с. В обоих случаях тело движется противоположно выброшенной части системы.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы индивидуально применили закон сохранения импульса и увидели, что один и тот же алгоритм работает для ракеты, шарика и тележки. Осталось связать новый материал с общим представлением о космических полётах и проверить, что именно стало понятным."
Этап 7. Включение в систему знаний и рефлексия (5 мин)
Цель этапа: обобщить изученное, проверить понимание причин реактивного движения и определить личные затруднения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём "Верно — неверно": "Отметьте, верны ли утверждения: 1) ракете обязательно нужен воздух для движения; 2) газы и ракета получают импульсы противоположных направлений; 3) при одинаковом импульсе большая масса получает большую скорость; 4) реактивное движение объясняется законом сохранения импульса." | Поднимают карточки и исправляют неверные утверждения: "Ракете не нужен воздух; при одинаковом импульсе большая масса получает меньшую скорость". |
2 мин | Учитель предлагает приём "Светофор": "Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить явление и решить базовую задачу; жёлтую — если понимаете принцип, но путаетесь в знаках или вычислениях; красную — если нужна дополнительная помощь. Запишите на стикере один вопрос, который остался." | Показывают карточку, записывают вопрос или формулировку затруднения. |
1 мин | Учитель организует билет на выход: "Одним предложением ответьте: почему ракета движется вперёд, когда газы выбрасываются назад? Второй пункт — назовите первый шаг решения задачи о реактивном движении." | Пишут: "Ракета получает противоположный импульс, потому что сохраняется импульс замкнутой системы"; называют первый шаг: "Выбрать систему тел и направления". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня мы объяснили движение ракеты через закон сохранения импульса, вывели формулу для простой модели и потренировались решать задачи в формате, близком к ОГЭ. Теперь зафиксируем домашнюю практику разного уровня сложности."
Этап 8. Домашнее задание и завершение урока (0 мин)
Цель этапа: сообщить дифференцированное домашнее задание и дать учащимся ориентир для самостоятельной подготовки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
0 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите обязательный уровень; желающие получить дополнительную тренировку выполняют средний или продвинутый уровень. В каждой задаче обязательно укажите систему тел, направление скоростей, закон сохранения импульса и единицы измерения." | Записывают выбранный уровень и уточняют условия выполнения. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно решены обе обязательные задачи и дополнительная задача или задача повышенного уровня, правильно выбрана система, записан закон сохранения импульса, учтены направления скоростей, вычисления и единицы измерения оформлены корректно.
- «4» — верно решены обязательные задачи, но допущена одна вычислительная или оформительская ошибка, не повлиявшая на выбор физического закона.
- «3» — правильно определено явление реактивного движения и записан закон сохранения импульса, но в одной задаче допущена ошибка в знаке, формуле или вычислении.
- Оценка может быть повышена на один балл при чётком устном объяснении физического смысла решения и самостоятельном исправлении ошибки по эталону.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Почему ракета движется в сторону, противоположную выбрасываемым газам? | Проверка понимания причинно-следственной связи и закона сохранения импульса. |
Какой шаг алгоритма решения задачи оказался самым сложным? | Выявление точек затруднения: выбор системы, знаки, формула или вычисления. |
Что означает отрицательный знак скорости газов в записи задачи? | Проверка понимания направления движения и векторного характера импульса. |
Насколько уверенно вы сможете решить похожее задание ОГЭ после сегодняшней тренировки? | Субъективная оценка освоения темы и уровня учебной тревожности. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы увидели, что ракете не нужна опора на воздух: она движется благодаря выбросу части собственной массы. Главный инструмент объяснения — закон сохранения импульса, а главный алгоритм решения начинается с выбора системы и направлений. Типичная ошибка — забыть, что газы и ракета движутся в противоположные стороны, поэтому внимательно ставьте знаки. На следующем уроке мы продолжим применять законы сохранения к движению и разберём более сложные задачи. Ваш результат ОГЭ зависит не от угадывания, а от последовательного анализа условия."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 3 задачи на реактивное движение: определить скорость ракеты, шарика или тележки после выброса части массы; в каждой задаче записать систему тел и закон сохранения импульса. | Закрепить базовый алгоритм и проверить правильность направлений, знаков и единиц измерения. |
Средний (повышающий) | Решить 4 задачи, в которых требуется сравнить скорость тела при разных массах выбрасываемой части или разных скоростях истечения; одну задачу оформить с подробным пояснением физического смысла ответа. | Развить умение анализировать зависимость результата от параметров и готовиться к заданиям повышенной сложности ОГЭ. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое объяснение работы ракетного двигателя или реактивного движения в природе, привести один технический пример и составить собственную расчётную задачу с решением. | Развить навыки применения физической модели в новом контексте и проектирования задания с последующей проверкой решения. |
Контрольные вопросы перед выходом: 1) Что называют реактивным движением? 2) Какой закон объясняет движение ракеты? 3) Почему импульсы ракеты и газов направлены противоположно? 4) С какого действия начинается решение расчётной задачи? 5) Что означает знак минус у скорости выбрасываемых газов?
