Номинация: Физика космоса Тема: Искусственные спутники Земли. Гравитационное взаимодействие

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Чалтырская средняя общеобразовательная школа №1

Школьная работа по физике

Номинация: Физика космоса

Тема: Искусственные спутники Земли. Гравитационное взаимодействие

Чалтырь

2013 г.

        Содержание:

1.Введение………………………………………………………………………3 с.

2. Общие сведения об ИСЗ. …………………………………………………. 5 с.

Первый ИСЗ……………………………………………………………………5 с.

Второй ИСЗ…………………………………………………………………….7  с.

ИСЗ Протон -4……………………………………………………………….....8  с.

3. Автоматическая межпланетная стация (АМС) «Венера -5»……………..9 с.

4. Практическая составляющая………………………………………………11 с.

4.1. Исследование зависимости силы гравитационного взаимодействия от массы тел и расстояния между ними………………………………………..11 с.

4.2.  Исследование  зависимости ускорения свободного падения от высоты над Землей……………………………………………………………………..14 с.

4.3  Сравнение ускорения свободного падения над поверхностью Земли на экваторе и на полюсе………………………………………………………….15 с.

5.Заключение…………………………………………………………………15 с.

Литература……………………………………………………………………..17 с.

1. Введение.

В настоящее время широко используются ИСЗ для реализации различных целей. Научный спутник «Хаббл» показывает нам процессы, происходящие в нашей Солнечной системе и  далеких уголках нашей Вселенной,  демонстрируя величие окружающего мира.  Спутник наблюдения «Спот» передает информацию различным отраслям промышленности и организациям, помогая находить полезные ископаемые, косяки рыб, сообщают о лесных пожарах и загрязнениях водоемов, заболеваниях зерновых культур. Широко используются  спутники ориентирования «Глонасс» и «GPS». «Метеосат 10» - Европейский метеорологический спутник, получающий фотографии Земли и облачных образований в атмосфере  для более точного составления прогноза погоды. Военные спутники, например «Магнум», обеспечивают армию данными  радиоэлектронной разведки.

Спутник связи «Глонасс»

Спутник связи «GPS»  на орбите

Метеорологический спутник «Метеор М»

С раннего детства меня интересовали  полеты в космос. 4 октября 1957 года  запуском первого искусственного спутника Земли (рис.1) была открыта космическая эра.  Диаметр спутника - 58 см, вес - 83,6 кг; начальные параметры орбиты: высота апогея - 947 км, высота перигея - 228 км, период обращения - 96,17 мин. Я горжусь нашими людьми.  Более полувека Человечество исследует космическое пространство, преодолевая различные трудности, например преодоление земного тяготения и гравитационного притяжения.

2. Общие сведения об ИСЗ. Первый ИСЗ. Искусственные Спутники Земли (ИСЗ), космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. Запуск первого ИСЗ (рис.1), ставшего первым искусственным небесным телом, созданным человеком, был осуществлен в СССР 4 октября 1957 и явился результатом достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники, небесной механики и др. разделов науки и техники. С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы, исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту.

В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник.

ИСЗ выводятся на орбиты с помощью автоматических управляемых многоступенчатых ракет-носителей, которые от старта до некоторой расчётной точки в пространстве движутся благодаря тяге, развиваемой реактивными двигателями. Этот путь, называемый траекторией выведения ИСЗ на орбиту, или активным участком движения ракеты, составляет обычно от нескольких сотен до двух-трёх тыс. км. Ракета стартует, двигаясь вертикально вверх, и проходит сквозь наиболее плотные слои земной атмосферы на сравнительно малой скорости (что сокращает энергетические затраты на преодоление сопротивления атмосферы). При подъёме ракета постепенно разворачивается, и направление её движения становится близким к горизонтальному. На этом почти горизонтальном отрезке сила тяги ракеты расходуется не на преодоление тормозящего действия сил притяжения Земли и сопротивления атмосферы, а главным образом на увеличение скорости. После достижения ракетой в конце активного участка расчётной скорости (по величине и направлению) работа реактивных двигателей прекращается; это — так называемая точка выведения ИСЗ на орбиту. Запускаемый космический аппарат, который несёт последняя ступень ракеты, автоматически отделяется от неё и начинает своё движение по некоторой орбите относительно Земли, становясь искусственным небесным телом. Его движение подчинено пассивным силам (притяжение Земли, а также Луны, Солнца и др. планет, сопротивление земной атмосферы и т. д.) и активным (управляющим) силам, если на борту космического аппарата установлены специальные реактивные двигатели. Вид начальной орбиты ИСЗ относительно Земли зависит целиком от его положения и скорости в конце активного участка движения (в момент выхода ИСЗ на орбиту) и математически рассчитывается с помощью методов небесной механики. Если эта скорость равна или превышает (но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость (около 8 км/сек у поверхности Земли), а её направление не отклоняется сильно от горизонтального, то космический аппарат выходит на орбиту спутника Земли. Точка выхода ИСЗ на орбиту в этом случае расположена вблизи перигея орбиты. Выход па орбиту возможен и в других точках орбиты, например, вблизи апогея, но поскольку в этом случае орбита ИСЗ расположена ниже точки выведения, то сама точка выведения должна располагаться достаточно высоко, скорость же в конце активного участка при этом должна быть несколько меньше круговой.

  В первом приближении орбита ИСЗ представляет собой эллипс с фокусом в центре Земли (в частном случае — окружность), сохраняющий неизменное положение в пространстве. Движение по такой орбите называется невозмущённым и соответствует предположениям, что Земля притягивает по закону Ньютона как шар со сферическим распределением плотности и что на спутник действует только сила притяжения Земли.

        рис.1        рис.2

На рис.2 показано, как летают спутники (круговая и эллиптическая орбиты)

Второй советский ИСЗ(рис.3). Выведен на орбиту 3 ноября 1957 года. Вес 508,3 кг

Рис.3

Музей космонавтики в Москве представлен на рис.4

рис.4

ИСЗ «Протон-4» (рис.5)

рис.5

1 - панель солнечной батареи; 2 - датчики магнитной индикации; 3 - исполнительные органы системы демпфирования; 4 - контейнер с химическими батареями; 5 - панель с аппаратурой автоматики и управления; 6 - радиатор; 7 -датчик солнечной индикации; 8 - приборный контейнер; 9 -

комплект научной аппаратуры.

3. Автоматическая межпланетная стация (АМС) «Венера -5»

Контроль движения ИСЗ и вторичных орбитальных объектов осуществляется путём наблюдений их со специальных наземных станций. По результатам таких наблюдений уточняются элементы орбит спутников и вычисляются эфемериды для предстоящих наблюдений, в том числе и для решения различных научных и прикладных задач. По используемой аппаратуре наблюдения ИСЗ разделяются на оптические, радиотехнические, лазерные; по их конечной цели — на позиционные (определение направлений на ИСЗ) и дальномерные наблюдения, измерения угловой и пространственной скорости.

Автоматическая межпланетная станция (АМС) «Венера-5»(рис.6) была создана на Машиностроительном заводе имени С. А. Лавочкина. Конструкция АМС «Венера-5» была аналогична конструкции АМС «Венера-4», существенным изменениям подвергся только спускаемый аппарат.

При создании «Венеры-5» были учтены параметры атмосферы планеты Венера, которые были получены во время полёта межпланетной станции «Венеры-4». Спускаемый аппарат рассчитывался на работу при температуре 290°C и давлении до 25 атмосфер.

Была уменьшена площадь куполов тормозного до 1,9 м² и основного до 12 м². Термостойкая ткань парашюта была рассчитана на работу при температуре свыше 500 °C.

Венера-5» была запущена с космодрома Байконур 5 января 1969 года 9 часов 28 минут московского времени.

14 марта 1969 года была проведена коррекция орбиты станции, которая в это время находилась на расстоянии 15,525 млн км от Земли.

16 мая 1969 года, через 131 сутки после старта, станция «Венера-5» достигла окрестностей планеты Венера. Вход в атмосферу планеты Венера произошёл на ночной стороне. После отделения спускаемого аппарата был раскрыт парашют. В течение спуска, который продолжался 52,5 минуты, радиовысотомер передал три значения высоты над поверхностью: 40,4, 31,9 и 23,8 км. Во время спуска проводились измерения температуры, давления, освещенности и химического состава атмосферы. Диапазон изменения температуры составил: от 25 до 320 °C, а давления от 0,5 до 27 атмосфер, диапазон высот от 55 до 18 км.

Во время спуска дважды производился забор и анализ состава атмосферы. Первый раз анализ состава атмосферы производился при давлении 0,6 атмосферы и температуре около 25 °C. Второй раз —5 атмосфер и 150 °C. Спускаемый аппарат перестал передавать информацию на Землю, когда давление достигло значения 27 атмосфер, что превышало расчетные значения для спускаемого аппарата (25 атмосфер). Во время перелёта были получены новые данные о структуре потоков плазмы («солнечного ветра») вблизи Венеры. Это произошло на высоте 18 км над поверхностью. Анализ состава атмосферы показал, что она состоит на 97 % из углекислого газа, 2 % азота, не более 0,1 % кислорода, и незначительного количества водяного пара.

Это был одновременный полёт двух одинаковых по конструкции автоматических станций: «Венера-5» и «Венера-6». «Венера-5» стартовала на пять суток раньше «Венеры-6». Окрестностей планеты Венера станция «Венера-5» достигла на одни сутки раньше станции «Венера-6».

        рис.6

4. Практическая составляющая. 

4.1. Исследую зависимость силы гравитационного взаимодействия от массы тел и расстояния между ними.

Гравитационное притяжение между двумя  телами массы m 1  и m 2, находящимися  на расстоянии R, пропорциональнообеим массам и обратно

пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть:

 Гравитационная постоянная G  = 6,67.

На 2010 год наша страна имела 1454  искусственных спутника на орбите Земли. Всего 53 страны имеют искусственные спутники Земли.

Первый искусственный спутник Земли массой 83,6кг был выведен на эллиптическую орбиту высотой в апогее 947 км, в перигее 288 км. Масса Земли 6.кг. Нахожу силу гравитационного взаимодействия первого ИСЗ   в перигее и Земли. Радиус земли R =64.м = 6400.м

Нахожу силу гравитационного взаимодействия первого ИСЗ   в апогее и Земли.

Земля и Венера похожи размерами, силой тяжести и составом. По размерам Венера довольно близка к Земле. Радиус Венеры  равен 6051,8 км, масса — 4,87·10 24кг. Венера довольно интенсивно исследовалась с помощью космических аппаратов.

В орбитах Луны и искусственных спутников Земли — периге́й и апоге́й.

Нахожу силу гравитационного взаимодействия аппаратов «Венера-5» и «Венера-6» с планетой Венера. Каждый аппарат массой по 1130кг.  «Венера-5» и «Венера-6» находились  на расстоянии 37 000км и 25000км соответственно от планеты Венера. Масса Планеты Венера 4,87.  кг, её радиус 6051,8км =60,518 . м.

Делаю вывод: сила гравитационного взаимодействия уменьшается при увеличении расстояния между телами.

Сравню силы гравитационного взаимодействия: планета  Земля и  искусственный спутник «Протон-4»;  планета  Земля и первый  ИСЗ, если бы они двигались по одной орбите. Масса ИСЗ «Протон -4» равна  17т  или 17. 10 3 кг.

Нахожу силу гравитационного взаимодействия  Земли и ИСЗ  «Протон -4» в перигее.

Нахожу силу гравитационного взаимодействия Земли и ИСЗ  «Протон -4» в апогее.

Делаю вывод: сила гравитационного взаимодействия увеличивается при увеличении массы взаимодействующих тел.

4.2. Исследую зависимость ускорения свободного падения от высоты над Землей.

F= mg;   F = ;   mg =;   g = 

Спутники связи должны обращаться в направлении вращения Земли, на высоте 35 786 км над уровнем моря. Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли относительно звёзд. Спутник висит над одной точкой. Среднеорбитальные спутники работают на высоте орбиты 5—15 тыс. км.  Глонас работает на высоте 19 100 км. Нахожу ускорение свободного падения для этих высот.

=35,786 . м;  = 5. м;  =15. м;  = 19,1. м.

Проанализировав полученные данные, прихожу к выводу: ускорение свободного падения зависит от высоты над Землей. Ускорение свободного падения уменьшается с ростом высоты  над Землей.

4.3. Найду ускорение свободного падения над поверхностью Земли на экваторе и на полюсе.

 Радиус Земли на экваторе равен 6378,14км, на полюсе -6356,76км.

g = 

Сравнила ускорение свободного падения на экваторе и на полюсе Земли и увидела: ускорение свободного падения  на полюсе Земли больше ускорения свободного падения на экваторе потому, что расстояние до центра Земли меньше на полюсе, чем на экваторе.

Вывод: большее ускорение свободного падения соответствует меньшему радиусу Земли.

5. Заключение.

Спутники связи играют огромную роль в распространении информации. Каждый из нас имеет мгновенный доступ к информации, которая находится на другом конце света. Активно используются спутники связи «Гэлакси XI». С их участием осуществляется международная и мобильная телефонная связь, спутниковое телевидение, распространение сети Интернет.

В феврале 2014 года пройдут зимние Олимпийские Игры в городе Сочи. Спутники связи будут транслировать такое великое красочное событие на весь мир в реальном времени. Все жители планеты увидят не только спортивные соревнования, но и уникальность нашей природы, нашу культуру и страну. Благодаря спутникам связи все узнают о том, что в Великой России живут люди гостеприимные, открытые, уважающие культуру других народов.

 Космонавтика будущего – это орбитальные станции, энергетические комплексы на околоземной орбите, производственные и научные базы на Луне, Марсе и его спутниках, искусственные спутники дальних планет.  Преодоление земного тяготения и гравитационного притяжения разрешимая задача для современной науки. Я верю в то, что Человек очень скоро завоюет все околосолнечное пространство.

Литература:

Физика. 9кл.:учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. -  М.:Дрофа, 2008г

Адрес интернет ресурса:

ru.wikipedia.org.

visualmix.narod.ru/sputnik.html

alcala.ru/bse/izbrannoe/slovar-I/I12036.shtml

znaiya-sila.narod.ru