Реферат по физике на тему: невесомость работу
Скачать 310.68 Kb.
|
1 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №4 имени И.С. Черных РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ НА ТЕМУ: НЕВЕСОМОСТЬ Работу выполнила: Ученица средней школы №4 10 «Б» класса Хлусова Анастасия Руководитель: Лебедева Наталья Юрьевна учитель физики Томск 2009 Содержание
Введение Явление невесомости всегда вызывало у меня интерес. Еще бы, каждому человеку хочется летать, а невесомость – это что–то близкое к состоянию полета. До начала исследования мне было известно лишь то, что невесомость – состояние, которое наблюдается в космосе, на космическом корабле, при котором все предметы летают, а космонавты не могут стоять на ногах, как на Земле. Невесомость является скорее проблемой для космонавтики, чем необычным явлением. Во время полета в космическом корабле могут возникнуть проблемы со здоровьем, а после приземления космонавтов необходимо заново учить ходить, стоять. Таким образом, очень важно знать, что такое невесомость и как она влияет на самочувствие людей, путешествующих в космическом пространстве. Как следствие, необходимо решить эту проблему, создавая программы по уменьшению риска неблагоприятного влияния невесомости на организм. Цель моей работы – дать понятие невесомости в комплексном виде (т.е. рассмотреть его с разных сторон), отметить актуальность данного понятия не только в рамках изучения космического пространства, отрицательного воздействия на человека, но и в рамках возможности использования на Земле технологии, изобретенных для уменьшения этого воздействия; проведения некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях. Задачи этого реферата:
6) Создать презентацию на основе обработанного материала. Источники, которыми я пользовалась в процессе написания реферата – это учебные пособия, энциклопедии, интернет. Глава 1. Вес тела и невесомость 1.1. Вес тела В технике и быту широко используется понятие веса тела. Весом тела называют суммарную силу упругости, действующую при наличии силы тяжести на все опоры, подвесы. В  ес тела P, то есть сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости FУ, с которой опора действует на тело (рис.1), в соответствии с третьим законом Ньютона равны по модулю и противоположны по направлению: P = -Fу Е сли тело находится в покое на горизонтальной поверхности или равномерно движется и на него действуют только сила тяжести FТ и сила упругости FУ со стороны опоры, то из равенства нулю векторной суммы этих сил следует равенство: FТ=- FУ.С  опоставив выражения P = -Fу и FТ = - FУ, получим P = FТ, то есть вес P тела на неподвижной горизонтальной опоре равен силе тяжести FТ, но эти силы приложены к разным телам.П ри ускоренном движении тела и опоры вес P будет отличаться от силы тяжести FТ.П о второму закону Ньютона при движении тела массой m под действием силы тяжести FТ и силы упругости Fу с ускорением a выполняется равенство FТ + FУ = ma.И  з уравнений P = -Fу и FТ + FУ = ma получаем: P = FТ – ma = mg – ma, или P = m( g – a ).Р ассмотрим случай движения лифта, когда ускорение a направлено вертикально вниз. Если координатную ось OY(рис.2) направить вертикально вниз, то векторы P, g и a оказываются параллельными оси OY, а их проекции положительными; тогда уравнение P = m(g – a) примет вид: Py = m(gУ – aУ).Так как проекции положительны и параллельны координатной оси, их можно заменить модулями векторов: P = m(g – a). Вес тела, у которого направление ускорения свободного и падения и ускорения совпадают, меньше веса покоящегося тела.[2]  1.2. Вес тела, движущегося с ускорением Говоря о весе тела в ускоренно движущемся лифте, рассматривается три случая (кроме случая покоя или равномерного движения):
Э ти три случая не исчерпывают качественно всех ситуаций. Имеет смысл рассмотреть и 4-ый случай, чтобы анализ был завершённым. (Действительно, во втором случае подразумевается, что a < g. Третий случай есть частный для второго при a = g. Случай a > g остался нерассмотренным.) Для этого можно задать ученикам вопрос, который сначала вызывает у них удивление: “Как должен двигаться лифт, чтобы человек мог ходить по потолку?” Ученики быстро “догадываются”, что лифт должен двигаться вниз с ускорением большим g. Действительно: при увеличении ускорения движения лифта вниз, в соответствие с формулой P=mg-ma, вес тела будет уменьшаться. Когда ускорение a станет равным g, вес станет равным нулю. Если и дальше увеличивать ускорение, то можно предположить, что вес тела изменит направление. После этого можно изобразить на рисунке вектор веса тела:  М ожно решить эту задачу и в обратной формулировке: “Каков будет вес тела в лифте, движущемся вниз с ускорением a > g ?” Эта задача немного труднее, т.к. ученикам нужно преодолеть инерцию мышления и поменять местами “верх” и “низ”.Может существовать возражение, что 4-ый случай не рассматривается в учебниках потому, что он не встречается на практике. Но и падение лифта встречается тоже только в задачах, но, тем не менее, его рассматривают, т.к. это удобно и полезно. Движение с ускорением, направленным вниз или вверх, наблюдается не только в лифте или ракете, но и при движении самолёта, совершающего фигуры высшего пилотажа, а также при движении тела по выпуклому или вогнутому мосту. Рассмотренному 4-му случаю соответствует движение по “мёртвой петле”. В верхней её точке ускорение (центростремительное) направлено вниз, сила реакции опоры - вниз, вес тела – вверх.[2] Представим ситуацию: космонавт вышел из корабля в космос и с помощью индивидуального ракетного двигателя совершает прогулку по окрестностям. Возвращаясь, он несколько передержал двигатель включенным, подошел к кораблю с избытком скорости и стукнулся о него коленом. Будет ли ему больно? – Не будет: ведь в невесомости космонавт легче перышка, – такой можно услышать ответ. Ответ неправилен. Когда вы на Земле падали с забора, вы тоже были в состоянии невесомости. Ибо при ударе о земную поверхность вы ощутили заметную перегрузку, тем бóльшую, чем тверже то место, на которое вы упали, и чем больше была ваша скорость в момент контакта с землей. Невесомость и весомость не имеют отношения к удару. Здесь важны масса и скорость, а не вес. И все-таки космонавту при ударе о корабль будет не так больно, как вам при ударе о землю (при прочих равных условиях: одинаковых массах, относительных скоростях и одинаковой твердости препятствий). Масса корабля намного меньше массы Земли. Поэтому при ударе о корабль заметная часть кинетической энергий космонавта будет превращена в кинетическую энергию корабля, а на долю деформаций останется меньше. Корабль приобретет дополнительную скорость, а болевое ощущение космонавта будет не таким сильным большим.[4] 1.3. Невесомость Если тело вместе с опорой свободно падает, то a = g, то из формулы P = m(g – a) следует, что P = 0. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения только под действием силы тяжести называется невесомостью.[2] Есть два вида невесомости. Потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором находится человек во время полёта по орбите, – динамической невесомостью. Проявляются они совершенно одинаково. Ощущения человека одни и те же. Но причины разные. Космонавты в полётах имеют дело только с динамической невесомостью. Выражение «динамическая невесомость» означает: «невесомость, возникающая при движении». Мы чувствуем притяжение Земли только тогда, когда сопротивляемся ему. Только когда «отказываемся» падать. А как только мы «согласились» падать, ощущение тяжести мгновенно пропадает. Представьте себе - вы гуляете с собакой, держа её на ремешке. Собака куда-то устремилась, натянула ремешок. Вы чувствуете натяжение ремешка – «притяжение» собаки, – только пока сопротивляетесь. А если вы побежите за собакой, ремешок провиснет и ощущение притяжения исчезнет. Также получается и с притяжением Земли. Летит самолёт. В кабине приготовились к прыжку два парашютиста. Земля тянет их вниз. А они пока сопротивляются. Упёрлись ногами в пол самолёта. Чувствуют притяжение Земли – подошвы их ног с силой прижаты к полу. Они ощущают свой вес. «Ремешок натянут». Но вот они согласились следовать туда, куда тянет их Земля. Стали на край люка и прыгнули вниз. «Ремешок провис». Ощущение притяжения Земли сразу же пропало. Они стали невесомы. Можно представить продолжение этой истории. Одновременно с парашютистами с самолёта сбросили большой пустой ящик. И вот летят рядом, с одной скоростью, кувыркаясь в воздухе, два человека, не раскрывшие парашютов, и пустой ящик. Один человек протянул руку, схватился за летящий рядом ящик, открыл в нём дверцу и втянулся внутрь. Теперь из двух человек один летит снаружи ящика, а другой летит внутри ящика. У них будут абсолютно разные ощущения. Тот, который летит снаружи, видит и чувствует, что он стремительно летит вниз. В ушах у него свистит ветер. Вдали видна приближающаяся Земля. А тот, который летит внутри ящика, закрыл дверцу и начал, отталкиваясь от стенок, «плавать» по ящику. Ему кажется, что ящик спокойно стоит на Земле, а он, потеряв вес, плавает по воздуху, как рыба в аквариуме. Строго говоря, разницы между обоими парашютистами нет никакой. Оба с одной и той же скоростью камнем летят к Земле. Но один сказал бы: «Я лечу», а другой: «Я плаваю на месте». Всё дело в том, что один ориентируется по Земле, а другой – по ящику, в котором летит. Вот именно так и возникает состояние динамической невесомости в кабине космического корабля. В первый момент может показаться непонятным вот что. Казалось бы, космический корабль летит параллельно Земле, как самолёт. А в горизонтально летящем самолёте никакой невесомости не бывает. Но мы знаем, что космический корабль-спутник непрерывно падает. Он гораздо больше похож на сброшенный с самолёта ящик, чем на самолёт. Динамическая невесомость возникает иногда и на Земле. Невесомы, например, пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Невесомы в течение нескольких секунд лыжники во время прыжка с трамплина. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. Для тренировок космонавтов секунд на тридцать – сорок создают невесомость в самолёте. Для этого лётчик делает «горку». Он разгоняет самолёт, круто взмывает наклонно вверх и выключает мотор. Самолёт начинает полёт по инерции, как брошенный рукой камень. Сперва немного поднимается, потом описывает дугу, заворачивая вниз. Пикирует к Земле. Всё это время самолёт находится в состоянии свободного падения. И всё это время в его кабине царит настоящая невесомость. Затем лётчик снова включает мотор и осторожно выводит самолёт из пикирования на нормальный горизонтальный полёт. При включении мотора невесомость сразу исчезает. [9] В состоянии невесомости на все частицы тела, находящегося в состоянии невесомости, силы тяжести действуют, но нет внешних сил, приложенных к поверхности тела (например, реакций опоры), которые могли бы вызвать взаимные давления частиц друг на друга. Подобное же явление наблюдается для тел, находящихся в искусственном спутнике Земли (или в космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив вместе со спутником соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит с равными ускорениями, как свободные, не оказывая взаимных давлений друг на друга, то есть находятся в состоянии невесомости. Как и на тело в лифте, на них действует сила тяготения, но нет внешних сил, приложенных к поверхностям тел, которые могли бы вызвать взаимные давления тел или их частиц друг на друга. Вообще тело под действием внешних сил будет в состоянии невесомости, если: а) действующие внешние силы являются только массовыми (силы тяготения); б) поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно). Таким образом, любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел. Вследствие значительного отличия условий невесомости от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет – носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих емкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД (жидкостно – реактивными двигателями), рассчитанные на многократное включение в условиях космического полета. В условиях невесомости жидкость может занимать произвольное положение в емкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях невесомости применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей; фиксация части жидкости у заборного устройства систем сеток (ракетная ступень «Аджена»); создание кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. Использование специальных приемов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях невесомости в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения, в топливных элементах системы энергопитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космических аппаратов (для открытия солнечных батарей, антенн, для стыковки и т.п.) рассчитываются на работу в условиях невесомости. Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всем объеме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счет сил поверхностного натяжения и др.). Впервые эксперимент по сварке различных материалов в условиях невесомости вакуума был осуществлен при полете советского космического корабля «Союз – 6» (1969). Ряд технологических экспериментов (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т.п.) был проведен на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973). Ученые проводят в космосе различные эксперименты, ставят опыты, но они слабо представляют себе конечный результат этих действий. Но если какой - либо эксперимент дал определенный результат, то еще долгое время приходится его проверять, чтобы в конечном итоге объяснить и применить полученные знания на практике. [1] Ниже приведены описания некоторых экспериментов и интересных новостей про невесомость, над которыми еще предстоит работа. 1.4. Это интересно 1.4.1. Пламя в невесомости На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые и определяют форму пламени. Они поднимают раскалённые частички сажи, которые излучают видимый свет. Благодаря этому мы видим пламя. В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму. Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород, который горит голубым пламенем. Учёные стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств.[11]  1.4.2. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако, как обнаружили французские физики, вибрация жидкости может привести к резкому ее вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии. Каждый из нас не раз наблюдал фазовый переход жидкости в газ под действием высокой температуры, т. е., проще говоря, процесс кипения. Пузырьки пара, отрываясь от источника тепла, устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости. В результате кипение сопровождается активным перемешиванием жидкости, что многократно увеличивает скорость ее превращения в пар. Ключевую роль в этом бурном процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырек, которая, в свою очередь, существует благодаря силе тяжести. В условиях же невесомости нет веса, нет понятия «тяжелее» и «легче», и потому пузырьки нагретого пара не будут никуда всплывать. Вокруг нагревательного элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объему жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости (но при том же давлении, а вовсе не в вакууме!) будет протекать совершенно иначе, чем на Земле. Детальное понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива. Чтобы разобраться в этом процессе, очень важно понять, какие физические явления могут ускорять кипение в невесомости. В недавней статье французских физиков описываются результаты экспериментального исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения. В качестве рабочего вещества исследователи выбрали жидкий водород — самое легкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно, с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое как раз компенсировало силу тяжести (про магнитную левитацию читайте в нашей заметке Магнитная сверхпроводимость: левитация в жидком кислороде). Температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности. Основной результат экспериментов французских физиков состоит в том, что в условиях невесомости вибрация ускоряет превращение жидкости в пар. Под действием вибрации внутри слегка перегретой жидкости появляется «объемная рябь»: сеть мелких, размером доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале эти пузырьки растут медленно, но спустя 1-2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость в буквальном смысле слова вскипает. Как утверждают авторы, есть две причины такого поведения. Во-первых, пока пузырьки пара мелкие, вязкость жидкости как бы «держит» их на месте, не дает им быстро сближаться. Для крупных же пузырьков вязкость отходит на второй план, и их слияние и дальнейший рост становится интенсивнее. Вторая причина кроется в самой сути математических законов, управляющих движением жидкостей. Эти законы нелинейны, а значит, внешние вибрации не только заставляют жидкость «мелко трястись», но и порождают в ней крупномасштабные течения. Именно эти течения, разогнавшись, эффективно перемешивают рабочий объем и приводят к убыстрению процесса. Авторы работы подчеркивают, что обнаруженное ими явление имеет не только прикладной, но и чисто научный интерес. В их экспериментах сложные гидродинамические течения, сопровождающие эволюцию сети пузырьков, идут параллельно с самим фазовым переходом. Оба этих явления поддерживают и усиливают друг друга, приводя к крайней нестабильности жидкости даже в невесомости.[8]  Кипение воды на Земле и в условиях невесомости (изображение с сайта nasa.gov) Итак, разобравшись в причинах возникновения невесомости и в особенностях этого явления можно переходить к вопросу о влиянии ее на организм человека. |
1 2
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Реферат по физике на тему: «Альберт Эйнштейн» Альберт Эйнштейн – великий человек, жизнь и работу которого необходимо изучать. Его открытия актуальны на сегодняшний день | | Реферат по физике на тему: «Реактивное движение» Заключение стр. 8 |
| Реферат по физике на тему: «Естественная и искусственная радиоактивность» Сам же реферат я представляю как текст, не сильно выходящий за рамки школьного курса и наиболее понятно, на мой взгляд, объясняющий... | | Реферат по физике на тему: «…» Ученика(цы) Родионовой Ирины Петровны Название раздела |
| Реферат на тему: «Влияние строительных материалов на здоровье человека» Работу Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования | | Реферат на тему: Обучение письму в начальных классах Работу «Рунгинская средняя общеобразовательная школа Буинского муниципального района Республики Татарстан» |
| Контрольная работа по психологии Тема память Для подготовки к экзамену необходимо написать реферат на выбранную тему и выполнить контрольную работу | | Реферат по информатике и икт на тему: «Системы счисления» Работу «Изминская средняя общеобразовательная школа Сабинского муниципального района Республики Татарстан» |
 | Реферат по физике на тему: «Российские физики лауреаты Нобелевской премии» К сожалению, исторические сведения об открытии законов, введения новых понятий, часто оказываются за рамками учебника и учебного... | | Доклад-д/з-инструкция-проект Если студент пишет курсовую работу, то он не пишет реферат. В этом случае вместо оценки за реферат, необходимо указать оценку за... |
| Реферат по физике на тему: «Световые явления» Тем, кто не знаком с причинами их возникновения, эти световые явления кажутся необыкновенными и загадочными | | Реферат по физике на тему: Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания; Стр. 21 |
| Реферат в работе проведен сравнительный анализ школьной программы... Создание программы профильного уровня по физике (раздел «Электричество») с использованием современных информационных технологий при... | | Реферат На тему: «Брачный контракт» Работу Общее положение о брачном договоре стр. 3 Глава Требования к заключению брачного договора стр. 7 Вывод стр. 12 |
| Реферат студентки 4 курса Социальные гарантии гражданам, потерявшим работу; высвобожденным с предприятия; впервые ищущим работу | | Реферат По физике На тему: «Влияние электромагнитного излучения на организм человека» Влияние электромагнитных лучей, исходящих от сотовых телефонов, на организм человека |
