skkn ứng dụng định luật bảo toàn động lượng chế tạo tên lửa nước và động cơ hơi nước

Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ A MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài: Vật lý học môn học thực nghiệm có vai trò quan trọng phát triển nhân loại Từ việc tìm quy luật vận động giới tự nhiên, nhà vật lý tìm định luật, nguyên lý, lý thuyết để giải thích làm sở để nhà khoa học áp dụng vào thực tiễn Có thể nói phát triển Khoa học kĩ thuật thành phát triển Vật lý học tất nhiên theo phát triển mặt nhân loại Từ kĩ 17, với đời học Newton tạo tiền đề để nhân loại tiến bước dài chưa có Ngày hôm có sống vô đại Sự ứng dụng nhiệt cho có phương tiện di chuyển góp phần rút ngắn thời gian tăng hiệu lao động Sự ứng dụng điện quang làm sống ngày tinh vi hơn… Có thể nói góc độ sống mặt Vật lý học Tất định luật lý thuyết Vật lý có nghĩa sâu sắc thực tiễn Một định luật quan trọng đưa người vươn tầm với xa vũ trụ định luật bảo toàn động lượng Đối với việc dạy học Vật lý nhà trường phổ thông, nhiệm vụ người giáo viên không truyền thụ cho học sinh kiến thức khoa học Vật lý, mở cho học sinh giới quan, làm cho học sinh thấy vai trò Vật lý mà mang đến cho học sinh tình cảm môn học Gợi lên học sinh ý thức sở thích nghiên cứu khoa học Vật lý Điều góp phần làm tăng hiệu dạy học nói chung dạy – học Vật lý nói riêng Vì việc dạy học theo chương trình sách giáo khoa, người giáo viên cần có thông tin để học sinh thấy Vật lý học phát triển không ngừng gắn liền với thực tiễn Bên cạnh cần có buổi ngoại khoá để tạo sân chơi, tạo điều kiện cho học sinh nghiên cứu, tìm hiểu thực ứng dụng Vật lý vào đời sống Một chương trình ngoại khoá thật hấp dẫn hiệu kết hợp sân chơi kiến thức Vật lý ứng dụng chế tạo thí nghiệm, mô hình đơn giản mà học sinh làm Định luật bảo toàn động lượng định luật áp dụng nhiều việc chế tạo động chuyển động phản lực Nó gần rủi với thực tế đồng thời học sinh hoàn toàn chế tạo mô hình úng dụng Đó lý lựa chọn đề tài “Ứng dụng định luật Bảo toàn động lượng chế tạo tên lửa nước động nước” II Mục tiêu hướng phát triển đề tài Đề tài sáng kiến nhỏ với mong muốn mang lại sân chơi lành mạnh cho học sinh giúp học sinh giảm bớt căng thẳng sau ngày học mệt nhọc Giúp học sinh có hứng thú tình yêu môn học, thấy ý nghĩa Vật lý học đời sống Qua làm nâng cao hiệu giáo dục nói chung Vật lý nói riêng Đề tài áp dụng tập thể lớp đó, áp dụng cho chương trình ngoại khoá lớn trường Hoặc đơn giản giúp em học sinh có điều kiện làm quen, tự thiết kế mô hình đồ chơi tên lửa nước, động nước… nhằm thư giản phát triển óc sáng tạo, kĩ năng, thẫm mĩ tình yêu khoa học thực nghiệm Đề tài có trình bày đầy đủ lịch sử phát triển tên lửa bước thực chế tạo tên lửa nước động nước làm tài liệu tham khảo cho tất Giáo viên Học sinh yêu thích Vật lý thực nghiệm Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ Một chương trình ngoại khoá có nhiều nội dung, cần chuẩn bị chu đáo tập thể Vì phạm vi giới hạn đề tài quỹ thời không nhiều, đề tài xin nêu phần nhỏ ứng dụng Định luật bảo toàn động lượng để thiết kế mô hình chuyển động phản lực mà không sâu vào tổ chức chương trình ngoại khoá Có thể đề tài mở rộng làm để tổ chức thành công chương trình ngoại khóa Đó hướng phát triển đề tài B NỘI DUNG ĐỀ TÀI I Cơ sở đề tài - Định luật bảo toàn động lượng: Định luật bảo toàn động lượng định luật quan trọng chương trình vật lý phổ thông Nó mở đầu chương định luật bảo toàn sách giáo khoa Vật lý 10 Việc ứng dụng Định luật bảo toàn động lượng vào sống phổ biến Ta bắt gặp chuyển động tên lửa, máy bay phản lực, chuyển động pháo thăng thiên, chuyển động giật lùi súng đại bác bắn, chuyển động vật nước bạch tuột… gần gũi chuyển động bong bóng sau thổi đầy v.v Đề tài nhằm mục tiêu giúp học sinh ứng dụng Định luật bảo toàn động lượng thiết kế “động cơ” chuyển động phản lực đơn giản Nhưng trước hết để học sinh làm cần hiểu rõ nội dung định luật Bảo toàn động lượng chuyển động phản lực Hệ cô lập ( hệ kín) Một hệ vật ( gồm nhiều vật) gọi hệ kín có lực vật hệ tác dụng lẫn ( nội lực) mà tác dụng từ vật bên hệ ( ngoại lực), có lực phải tự triệt tiêu lẫn Ví dụ xét tương tác viên bi va chạm mặt phẳng nằm ngang, bỏ qua ma sát chúng lực xuất tương tác, trọng lực phản lực hai ngoại lực triệt tiêu Hệ hai viên bi xem kín Động lượng Động lượng đại lượng vật lý đo tích khối lượng vận tốc vật ur r Động lượng đại lượng vec tơ p  m.v Có hướng hướng với vec tơ vận tốc, có đơn vị kgm/s hệ SI Định luật bảo toàn động lượng Xét hai viên bi có khối lượng m1 m2 chuyển động mặt phẳng nằm ngang không uur uur ur uur ma sát với vận tốc v1 v2 hướng vào Gọi v1' v2 ' vận tốc chúng sau tương tác uur uur Theo Định luật III Newton : F1   F2 ur uur Theo định luật II Newton ta suy ra: m1 a1  m2 a2 uur ur uur uur ' v v v ' v Gọi t thời gian tương tác ta : m1 ( 1 )  m2 ( 2 ) t t uur ur uur uur ' '  m1 (v1  v1 )  m2 (v2  v2 ) uur uur ur uur  m1 v1'  m1 v1  m2 v2 '  m2 v2 uur uur uur ur  m2 v2  m1 v1  m2 v2 '  m1 v1' ur uur  Pt  Ps Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ Vậy hệ cô lập, tổng động lượng hệ trước tương tác tổng động lượng hệ sau trương tác không đổi Tức tổng động lượng hệ kín bảo toàn Xung lượng lực r ur ur r ur ur v  p  Từ định luật II Newton : F  ma  m suy  p  F t t t ur ur r Trong  p  mv '  mv độ biến thiên động lượng vật hay hệ vật ur Đại lượng F t gọi xung lượng lực Chuyển động phản lực Trong hệ kín đứng yên, có phần vật chuyển động theo hướng, phần lại chuyển động theo hướng ngước lại, chuyển động theo nguyên tắc gọi chuyển động phản lực Ví dụ xét đại bác đứng yên rcó khối lượng M, mang viên đạn m Bắn viên đạn theo phương nằm ngang với vận tốc v phía trước.ur Bỏ qua ma sát, hệ đại bác viên đạn trước sau bắn hệ kín Gọi V vận tốc đại bác Theo định luật bảo toàn động lượng ta có: r ur r  MV  mv r ur mv V   M Vậy sau bắn đại bác giật lùi trở lại phía sau Đó chuyển động phản lực Vì đại bác thường thiết kế nặng so với đạn để bắn đại bác bị giật lùi Cũng giống bắn súng trường, ta thường phải áp bán súng chặt vào bả vai để hạn chế giật lùi súng, làm tăng độ xác bắn mục tiêu Động phản lực tên lửa Những máy bay phản lực đại có tốc độ khoảng 900km/h đến 1300km/h Động thiết kế phần đầu có máy hút nén khí Khi nhiên liệu cháy, hỗn hợp khí sinh bị đẩy phía sau tạo phản lực đẩy máy bay trước, đồng thời làm quay tuabin máy nén Động tên lửa hoạt động theo nguyên tắc khác động tên lửa không cần đến môi trường khí bên ngoài, tức động tên lửa đốt cháy phần nhiên liệu mang theo khí gay nên phản lực không cần hút không khí từ bên vào Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ II Lịch sử phát triển tên lửa chinh phục vũ trụ Các tên lửa ngày thuộc sưu tập tài trí người có gốc rễ chúng khoa học công nghệ khứ Chúng sản phẩm phát sinh tự nhiên qua hàng nghìn năm thí nghiệm nghiên cứu tên lửa sức đẩy tên lửa Một dụng cụ sử dụng thành công nguyên lí cho chuyển động bay tên lửa chim gỗ Các tác phẩm Aulus Gellius, người La Mã, có kể lại câu chuyện người Hi Lạp tên Archytas sinh sống thành phố Tarentum, phần miền nam Italy Khoảng chừng năm 400 trước Công nguyên, Archytas khiến công dân thành Tarentum hoang mang thích thú việc cho bay bồ câu gỗ Hơi nước thoát đẩy chim lơ lửng sợi dây Con bồ câu sử dụng nguyên lí tác dụng-phản tác dụng, không phát biểu thành định luật khoa học kỉ 17 Khoảng 300 năm sau kiện bồ câu gỗ, người Hi Lạp khác, Hero xứ Alexandria, phát minh dụng cụ kiểu tên lửa tương tự gọi aeolipile Nó sử dụng nước làm chất khí đẩy Hero gắn cầu ấm đun nước Lửa bên ấm biến nước thành nước, truyền qua ống sang cầu Hai ống hình chữ L hai phía đối diện cầu cho phép thoát ngoài, làm vậy, sức đẩy tác dụng lên cầu làm cho quay tròn Động Hero Vào kỉ thứ sau Công nguyên, người Trung Hoa tường trình họ có dạng đơn giản thuốc súng chế tạo từ muối nitrat, sunfua bụi than Họ sử dụng thuốc súng chủ yếu để bắn pháo hoa dịp lễ tết tín ngưỡng Để tạo tiếng nổ kì lễ hội, họ chứa đầy hợp chất vào ống tre quăng chúng vào lửa Có lẽ số ống ống không nổ thay vào bay khỏi lửa, đẩy tới chất khí tia lửa tạo từ thuốc súng cháy Người Trung Hoa bắt đầu làm thí nghiệm với ống chứa thuốc súng Một lúc đó, họ gắn ống tre vào mũi tên dùng cung tên phóng chúng Không lâu sau, họ phát thấy ống thuốc súng tự phóng chúng sức mạnh tạo từ chất khí cháy Tên lửa thật đời Vào năm 1232, Trung Quốc Mông Cổ chiến tranh với Trong trận chiến KaiKeng, người Trung Quốc đánh lùi quân xâm lược Mông Cổ hàng rào phòng ngự “mũi tên lửa” Những mũi tên dạng đơn giản tên lửa chất đẩy rắn Một ống, bịt nắp đầu, chứa thuốc súng Đầu để hở ống gắn vào que dài Khi thuốc súng châm ngòi, cháy nhanh thuốc súng tạo lửa, khói, khí thoát đầu hở tạo sức đẩy Cái que đóng vai trò hệ thống dẫn đường đơn giản giữ cho tên lửa nhắm theo hướng chung bay không khí Những Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ tên lửa bay hiệu với vai trò thứ vũ khí phá hủy không rõ, tác dụng tâm lí chúng quân Mông Cổ ghê gớm Sau trận đánh Kai-Keng, người Mông Cổ sản xuất tên lửa riêng họ có lẽ họ truyền bá tên lửa sang châu Âu với bước chân xâm lược Nhiều sử sách mô tả thí nghiệm tên lửa suốt kỉ 13 đến kỉ 15 Ở Anh, tăng lữ tên Roger Bacon nghiên cứu dạng cải tiến thuốc súng, làm tăng đáng kể tầm xa tên lửa Ở Pháp, Jean Froissart thu phi vụ bay xác cách phóng tên lửa qua ống trụ Ý tưởng Froissart tổ tiên bazooka đại Joanes de Fontana người Italy thiết kế ngư lôi kiểu tên lửa chạy mặt nước dùng để đốt cháy tàu thuyền kẻ thù Vào kỉ 16, tên lửa bước vào giai đoạn xem vũ khí chiến tranh, chúng dùng trình diễn pháo hoa, nhà sản xuất pháo hoa người Đức, Johan Schmidlap, phát minh “tên lửa tầng”, phương tiện nhiều tầng nâng pháo hoa lên độ cao lớn Một tên lửa trời lớn (tầng thứ nhất) mang tên lửa trời nhỏ (tầng thứ hai) Khi tên lửa lớn cháy hết, tên lửa nhỏ tiếp tục bay lên cao trước rải tro rực rỡ khắp bầu trời Ý tưởng Schmidlap sở cho tên lửa ngày bay vũ trụ bên Trong nửa sau kỉ 17, nhà khoa học vĩ đại người Anh, Isaac Newton (1642 – 1727) thiết lập tảng khoa học cho ngành tên lửa học đại Newton tổ chức kiến thức ông chuyển động vật lí thành ba định luật khoa học Các định luật giải thích tên lửa hoạt động chúng hoạt động chân không vũ trụ bên Các định luật Newton sớm có tác động thực tiễn lên thiết kế tên lửa Khoảng năm 1720, giáo sư người Hà Lan, Willem Gravesande, chế tạo mẫu xe đẩy luồng nước Các nhà thực nghiệm tên lửa Đức Nga bắt đầu làm việc với tên lửa có khối lượng 45 kilogram Một số tên lửa mạnh đến mức lửa thải thoát chúng khoan thành hố sâu mặt đất trước chúng phóng lên Vào cuối kỉ 18 bước sang đầu kỉ 19, tên lửa trải qua giai đoạn phục hồi ngắn vũ khí chiến tranh Thành công tên lửa bắn chặn Ấn Độ chống lại quân Anh vào năm 1792 lần vào năm 1799 thu hút ý vị chuyên gia pháo binh, Colonel William Congreve Congreve bắt đầu thiết kế tên lửa dùng cho quân đội Anh Tên lửa Congreve thành công vang dội chiến trường Được tàu Anh sử dụng nện vào bến cảng McHenry chiến năm 1812, chúng truyền cảm hứng cho Francis Scott Key viết nên câu “ánh đỏ tên lửa” thơ ông sau trở thành Cờ nước Mĩ Ngay với nghiên cứu Congreve, độ xác tên lửa không cải thiện nhiều từ ngày đầu Bản chất phá hủy tên lửa chiến tranh không nằm độ xác hay sức mạnh chúng, mà số lượng chúng Trong vây chiến tiêu biểu, hàng nghìn tên lửa bắn phía quân thù Trên khắp giới, nhà nghiên cứu tên lửa thử nghiệm nhiều phương pháp nhằm nâng cao độ xác Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ Một người Anh, William Hale, phát triển kĩ thuật gọi ổn định hóa chuyển động quay tròn Trong phương pháp này, khí thải thoát đập vào van nhỏ đáy tên lửa, làm cho quay tròn giống hệt viên đạn hành trình bay Ngày nay, nhiều tên lửa sử dụng biến thể nguyên lí Tên lửa tiếp tục sử dụng thành công trận chiến lục địa châu Âu Tuy nhiên, chiến với nước Phổ, lữ đoàn tên lửa Áo gặp phải đối thủ với mẩu pháo binh thiết kế Đại bác nạp khóa nòng với nòng rãnh xoắn đầu nổ thứ vũ khí chiến tranh hiệu nhiều so với tên lửa tốt Lại lần nữa, quân loại tên lửa học sang cho công dụng thời bình Năm 1898, giáo viên người Nga, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), đề xuất ý tưởng thám hiểm vũ trụ tên lửa Trong báo cáo ông công bố vào năm 1903, Tsiolkovsky đề xuất sử dụng chất đẩy lỏng cho tên lửa để thu tầm hoạt động lớn Tsiolkovsky phát biểu có vận tốc khí thải thoát hạn chế tốc độ tầm bay tên lửa Với ý tưởng ông, với nghiên cứu thận trọng tầm nhìn rộng, Tsiolkovsky gọi cha để ngành du hành vũ trụ đại Ngay đầu kỉ 20, người Mĩ, Robert H Goddard (1882-1945), tiến hành thí nghiệm thực tiễn tên lửa học Ông trở nên bị hút vào cách thức đạt tới cao độ lớn so với cao độ mà khí cầu nhẹ không khí đạt tới Ông cho xuất sách mỏng vào năm 1919 mang tựa đề Một phương pháp đạt tới cao độ cực lớn Ngày nay, gọi phép phân tích toán học tên lửa thăm dò khí tượng Trong tập sách ông, Goddard tới vài kết luận quan trọng tên lửa học Từ thử nghiệm mình, ông phát biểu tên lửa hoạt động chân hiệu suất lớn không khí Lúc giờ, đa số người tin tưởng cách sai lầm có mặt không khí cần thiết cho tên lửa đẩy phía sau Biên tập viên tạp chí New York Times chế giễu Goddard “thiếu kiến thức học trường phổ thông” Goddard phát biểu tên lửa nhiều tầng câu trả lời để đạt tới cao độ lớn vận tốc cần thiết để thoát khỏi sức hút hấp dẫn Trái đất thu theo phương pháp Mẫu tên lửa Tsiolkovsky Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ Những thí nghiệm sớm Goddard bắt đầu với tên lửa chất đẩy rắn Năm 1915, ông bắt đầu thử loại nhiên liệu rắn khác đo vận tốc thải chất khí cháy.Trong nghiên cứu tên lửa chất đẩy rắn, Goddard trở nên bị thuyết phục tên lửa đẩy tốt nhiên liệu lỏng Trước đó, chưa chế tạo thành công tên lửa chất đẩy lỏng Các bể chứa nhiên liệu oxygen, tuabin buồng đốt cần thiết Bất chấp khó khăn ấy, Goddard thu chuyến bay thành công với tên lửa chất đẩy lỏng vào hôm 16 tháng năm 1926 Được cấp nhiêu liệu oxygen lỏng xăng, tên lửa bay phút rưỡi, lên cao 12,5 mét, tiếp đất cách bệ phóng 56 mét Theo tiêu chuẩn ngày nay, chuyến bay chẳng có ấn tượng, giống chuyến bay thử nghiệm máy bay có động đẩy anh em nhà Wright thực vào năm 1903, tên lửa nhiên liệu xăng Goddard trở thành vật báo hiệu cho kỉ nguyên hoàn toàn công nghệ bay tên lửa Một nhà tiên phong vũ trụ lớn thứ ba, Hermann Oberth (1894-1989) nước Đức, cho xuất sách vào năm 1923 du hành tên lửa vào không gian vũ trụ bên Các tác phẩm ông thật quan trọng Vì có chúng, nhiều hội tên lửa nhỏ xuất khắp giới Ở Đức, thành lập hiệp hội kiểu thế, Verein fur Raumschiffahrt (Hội Du hành không gian), dẫn đến phát triển tên lửa V-2, phương tiện người Đức sử dụng để chống lại London vào Thế chiến thứ hai Năm 1937, kĩ sư nhà khoa học người Đức, có Oberth, tập trung Peenemunde, vùng duyên hải biển Baltic Ở đó, đạo Wernher von Braun, kĩ sư nhà khoa học chế tạo cho bay tên lửa tiên tiến lúc Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ Tên lửa V-2 (ở Đức gọi A-4) có kích thước nhỏ so với tên lửa ngày Nó thu sức đẩy lớn nhờ vào việc đốt cháy oxygen lỏng cồn tốc độ khoảng giây Một phóng lên, V-2 thứ vũ khí kinh khủng, phá hủy toàn nhà cửa thành phố Thật may cho London quân Đồng Minh, V-2 xuất muộn chiến để làm thay đổi cục diện Tuy nhiên, vào cuối chiến, nhà khoa học kĩ sư tên lửa người Đức có kế hoạch triển khai tên lửa đạn đạo tiên tiến có khả vượt Đại Tây Dương đáp xuống nước Mĩ Những tên lửa đạn đạo có gắn cánh tầng trên, sức mang tải trọng nhỏ Với đầu hàng nước Đức, quân Đồng Minh thu giữ nhiều tên lửa phận tên lửa chưa sử dụng Nhiều nhà khoa học tên lửa người Đức đến Mĩ Những người khác sang Liên Xô Các nhà khoa học Đức, kể Wernher von Braun, thật bất ngờ trước tiến mà Goddard đạt Cả Mĩ Liên Xô nhận tiềm tên lửa học loại vũ khí quân bắt đầu cho triển khai nhiều chương trình thực nghiệm đa dạng Lúc đầu, nước Mĩ bắt đầu chương trình với tên lửa âm khí cao độ lớn, ý tưởng Goddard Sau đó, họ phát triển nhiều tên lửa liên lục địa tầm trung tầm xa Những tên lửa trở thành xuất phát điểm cho chương trình vũ trụ nước Mĩ Các tên lửa đạn đạo Redstone, Atlas, Titan cuối phóng đưa nhà du hành vũ trụ vào không gian Ngày tháng 10 năm 1957, Liên Xô làm giới sửng sốt việc phóng vệ tinh nhân tạo bay vòng quanh Trái đất Gọi tên Sputnik 1, vệ tinh bước thành công chạy đua không gian hai siêu cường quốc Chưa đầy tháng sau, Liên Xô tiếp tục phóng vệ tinh mang chó tên Laika lên quỹ đạo Laika sống sót không gian bảy ngày trước đưa vào trạng thái ngủ vĩnh viễn trước lúc nguồn cấp oxygen cạn kiệt Một vài tháng sau vệ tinh Sputnik đầu tiên, nước Mĩ đuổi theo Liên Xô với vệ tinh riêng họ Quân đội Mĩ phóng Explorer-1 vào hôm 31 tháng năm 1958 Tháng 10 năm Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ ấy, Mĩ thức tổ chức chương trình không gian họ việc thành lập Ban quản trị quốc gia Hàng không học Vũ trụ (NASA) NASA trở thành quan dân với mục tiêu thám hiểm vũ trụ cho mục đích hòa bình lợi ích toàn nhân loại Không lâu sau đó, tên lửa đưa nhiều người máy móc vào không gian Các nhà du hành bay vòng quanh Trái đất đặt chân xuống Mặt trăng Những phi thuyền rô-bôt đến hành tinh khác Không gian bất ngờ mở trước khảo sát khai thác thương mại Vệ tinh cho phép nhà khoa học nghiên cứu toàn giới, dự báo thời tiết truyền thông tức thời khắp địa cầu Nhu cầu đưa tải trọng ngày nhiều lớn tạo nhu cầu phát triển nhiều loại tên lửa mới, đa dạng, linh hoạt Chương trình khoa học thám hiểm vũ trụ phi thuyền rô-bôt có bước phát triển vượt bậc Cả Nga Mĩ bắt đầu chương trình nghiên cứu Mặt trăng Việc phát triển kĩ thuật khảo sát mặt trăng phương diện vật lí trở thành thách thức hàng đầu Chỉ tháng sau Explorer 1, nước Mĩ phóng phi thuyền mặt trăng có người lái, động phóng, tên lửa Atlas gắn với tầng Able, hỏng hóc 45 giây sau cất lên tải trọng thoát khỏi tên lửa Người Nga thành công với Luna 1, tàu bay qua Mặt trăng vào tháng năm 1959 Cuối năm đó, chương trình Luna thực chuyến khảo sát toàn Mặt trăng, chụp ảnh mặt tối bên Từ 1958 đến 1960, nước Mĩ gửi lên loạt sứ mệnh, tàu thám hiểm Mặt trăng Pioneer, để chụp ảnh thu thập liệu khoa học Mặt trăng Những tàu thám hiểm nói chung không thành công, chủ yếu động phóng gặp thất bại Chỉ tám phi thuyền hoàn thành sứ mệnh dự tính lên Mặt trăng, số phi thuyền, bị mắc cạn quỹ đạo Trái đất Mặt trăng, thật mang lại thông tin quan trọng số lượng tầm rộng vành đai xạ xung quanh Trái đất Nước Mĩ dường bị Liên Xô bỏ xa lại phía sau chương trình không gian Với lần phóng, chuyến bay vũ trụ có người lái ngày trở nên gần với thực Tháng năm 1961, người Nga tên Yuri Gagarin trở thành người bay vòng quanh Trái đất Chưa đầy tháng sau đó, nước Mĩ đưa người Mĩ đầu tiên, Alan Shepard, vào vũ trụ Chuyến bay chuyến nửa quỹ đạo đánh võng vào vũ trụ, sau quay Trái đất Tên lửa Redstone không đủ mạnh để đưa tổ hợp Mercury vào quỹ đạo Chuyến bay kéo dài 15 phút chút đạt tới độ cao 187 km Alan Shepard trải qua khoảng phút không trọng lượng quay Trái đất, ông gặp lực lớn lực hấp dẫn đến 12 lần 20 ngày sau đó, đứng sau Liên Xô mặt công nghệ, tổng thống Mĩ John Kennedy tuyên bố mục tiêu đưa người lên Mặt trăng vào cuối thập kỉ Tháng năm 1962, John Glen trở thành người Mĩ bay vòng quanh Trái đất tổ hợp nhỏ chứa nhiều thiết bị đến mức ông đủ chỗ để ngồi Được phóng lên tên lửa Atlas mạnh hơn, John Glen quỹ đạo 55 phút trước lao xuống làm bắn tung tóe nước Đại Tây Dương Chương trình Mercury có tổng cộng lần phóng: hai chuyến nửa quỹ đạo bốn chuyến trọn quỹ đạo Những lần phóng phi thuyền chứng minh cho khả nước Mĩ đưa người lên quỹ đạo, cho phép phi hành đoàn làm việc vũ trụ, điều khiển phi thuyền, thực quan sát khoa học Tiếp sau đó, nước Mĩ bắt đầu mở rộng chương trình không người lái nhắm tới việc củng cố chương trình có người lái hạ cánh xuống mặt trăng Ba dự án độc lập thu thập thông tin địa điểm hạ cánh số liệu khác bề mặt mặt trăng môi trường xung quanh Trước tiên chuỗi chương trình Ranger, nỗ lực nước Mĩ nhắm tới chụp ảnh cận cảnh Mặt trăng Phi thuyền chụp hàng nghìn ảnh đen trắng Mặt Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ trăng hạ độ cao lao vào bề mặt mặt trăng Mặc dù loạt chương trình Ranger mang lại số liệu cụ thể, người lập kế hoạch cho sứ mệnh Apollo tới muốn có thêm nhiều liệu Hai chương trình mặt trăng sau thiết kế để làm việc chung với Lunar Obiter cung cấp đồ phạm vi rộng bề mặt mặt trăng Surveyor cung cấp ảnh chụp màu chi tiết bề mặt mặt trăng số liệu nguyên tố lớp trầm tích mặt trăng đánh giá khả lớp trầm tích chịu đỡ sức nặng phi thuyền hạ cánh có người lái Khi khảo sát hai liệu, nhà lập kế hoạch nhận địa điểm thích hợp cho việc hạ cánh có người lái Tuy nhiên, có vướng mắc đáng kể, phi thuyền Surveyor lớn để phóng lên tên lửa Atlas/Agena có, người ta phát triển thêm tầng lượng cao gọi Centaur để thay Agena đặc biệt sứ mệnh Tầng Centaur sử dụng hiệu chất đẩy hydrogen oxygen, làm thay đổi ngoạn mục hiệu suất nó, nhiệt độ siêu lạnh chất dễ nổ mang lại thách thức kĩ thuật đáng kể Ngoài ra, người ta chế tạo bình Centaur thép không gỉ mỏng để tiết kiệm trọng lượng vốn quý báu Phải trì áp suất vừa phải bình để ngăn không cho tự co lại Viêc chế tạo tên lửa định hình lại khả thám hiểm Mặt trăng nước Mĩ Gemini tổ hợp thứ hai có người lái nước Mĩ phát triển Nó thiết kế để mang theo hai phi hành gia phóng lên phương tiện phóng lớn – Titan II Sự ủy thác tổng thống Kennedy làm thay đổi đáng kể sứ mệnh Gemini từ mục tiêu chung mở rộng trải nghiệm không gian sang chuẩn bị cho chuyến hạ cánh có người lái xuống Mặt trăng Nó lát đường cho chương trình Apollo việc chứng minh gặp gỡ ghép nối cần thiết cho tàu hạ cánh mặt trăng quay trở lại phi thuyền quay xung quanh mặt trăng, thao tác tàu vũ trụ bay (EVA) cần thiết cho thám hiểm bề mặt mặt trăng sửa chữa khẩn cấp nào, cuối khả người đảm đương vai trò tám ngày hành trình sứ mệnh mặt trăng có người lái Chương trình Gemini phóng lên 10 sứ mệnh có người lái vào năm 1965 1966, tám chuyến bay gặp gỡ ghép nối với tầng không người lái quỹ đạo quanh Trái đất bảy chuyến thực EVA Việc đưa người lên mặt trăng đòi hỏi tên lửa phóng lớn tên lửa sẵn có Để đạt mục tiêu này, nước Mĩ phát triển tên lửa phóng Saturn Capsule Apollo, hay mô-đun điều khiển, chứa phi hành đoàn ba người Capsule đưa nhà du hành vào quỹ đạo xung quanh Mặt trăng, hai nhà du hành chuyển sang mô-đun mặt trăng hạ cánh xuống bề mặt mặt trăng Sau hoàn thành sứ mệnh mặt trăng, phần mô-đun mặt trăng trở lại quỹ đạo ghép nối với capsule Apollo Các nhà du hành di chuyển ngược mô-đun điều khiển mô-đun phục vụ, với động cơ, đẩy họ phía Trái đất Sau bốn chuyến bay kiểm tra có người lái, nhà du hành Apollo 11 Neil Armstrong trở thành trở thành người đặt chân lên mặt trăng Nước Mĩ trở lại với bề mặt mặt trăng năm lần trước chương trình mặt trăng có người lái kết thúc Sau chương trình mặt trăng, chương trình Apollo tên lửa đẩy Saturn phóng Skylab, trạm không gian nước Mĩ Một phiên nhỏ tên lửa Saturn đưa phi hành đoàn người Mĩ lên gặp gỡ không gian lần Mĩ Nga sứ mệnh Apollo-Soyuz.Trong chương trình mặt trăng có người lái này, tên lửa phóng không người lái đưa nhiều vệ tinh lên nghiên cứu hành tinh chúng ta, dự báo thời tiết, truyền thông tức thời khắp giới Ngoài ra, nhà khoa học bắt đầu khảo sát hành tinh khác Mariner bay thành công xung quanh Kim tinh vào năm 1962, trở thành tàu thăm dò bay qua hành tinh khác Chương trình vũ trụ liên hành tinh Mĩ mang lại loạt đợt phóng thành công đến bất ngờ Chương trình Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 10 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ đến thăm hành tinh một, trừ Diêm Vương tinh Sau chương trình Apollo, nước Mĩ bắt đầu tập trung vào phát triển hệ thống phóng sử dụng lại, tàu thoi vũ trụ Các tên lửa đẩy rắn ba động tàu quỹ đạo phóng tàu thoi lên Các tên lửa đẩy sử dụng lại vứt phút bay, nhiên liệu chúng cạn kiệt Dù triển khai để làm giảm tốc đẩy tên lửa rắn cho hạ cánh an toàn Đại Tây Dương, hai tàu vớt chúng lên Tàu quỹ đạo bể nhiên liệu gắn tiếp tục lên Khi động ngừng hoạt động, bể nhiên liệu vứt khỏi tàu quỹ đạo, cuối phá hủy khí Việc đốt cháy thời gian ngắn hai hệ thống đẩy quỹ đạo phi thuyền làm thay đổi quỹ đạo để đạt quỹ đạo ngưỡng 185 – 402 km bên bề mặt Trái đất Tàu quỹ đạo thoi mang xấp xỉ 25.000 kg tải trọng vào quỹ đạo nên thành viên phi hành đoàn tiến hành thí nghiệm môi trường không trọng lượng Các đẩy quỹ đạo đốt cháy để hạ phi thuyền trở lại bầu khí Trái đất, làm nóng chắn nhiệt bảo vệ tàu quỹ đạo lên tới 8160 C Trên hành trình sau tàu thoi, đáp xuống mặt đất y máy bay Kể từ ngày khám phá thử nghiệm, tên lửa tiến hóa từ dụng cụ thuốc súng đơn giản thành cỗ xe khổng lồ có khả vào không gian bên ngoài, đưa nhà du hành vũ trụ lên Mặt trăng, phóng vệ tinh để khảo sát vũ trụ chúng ta, cho phép tiến hành thí nghiệm khoa học tàu thoi vũ trụ Không nghi ngờ nữa, tên lửa mở cánh cửa vũ trụ cho người khảo sát giới Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 11 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ III Hướng dẫn chế tạo tên lửa nước – Water Rocket: Cấu tạo: Tên lửa nước chế tạo từ chai nước pepsi dung tích 1,5l Nhiên liệu hổn hợp nước không khí Bệ phóng khung ghép từ ống PVC Nguyên tắc hoạt động: Không khí bơm vào chai chứa nước Khi áp suất chai tăng cao nước không khí phía sau đẩy tên lửa bay trước Các bước thực chế tạo tên lửa nước: 3.1 Chuẩn bị: Hai chai Pepsi loại 1,5 lít, đường kính miệng ống 21mm, Giấy bìa cứng 1m25 ống nước PVC đường kính 21mm: cắt thành đoạn, đoạn dài 15cm, đoạn dài 35cm - đoạn ống PVC 42mmm dài 5cm - đầu bịt ống 21mm - nối ống 21mm chữ T - 10 sợi dây rút nhựa (lạt nhựa) - van xe máy (hoặc van xe đạp) - Keo dán ống PVC - cuộn keo lụa quấn ống nước 3.2 Thực hiện: 3.2.1 Làm thân tên lửa: - Cắt phần đầu chai gắn vào chai - Cắt giấy bìa cứng làm đuôi , dán cách 1200 phần cuối chai - Dùng bìa cứng bao nhọn phần đầu tô màu theo sở thích cho đẹp Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 12 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ 3.2.2 Bệ phóng Đây giới thiệu bệ phóng đơn giản, cần phải chắn Không cầu kì tốn Lắp ống theo hình vẽ Quan trọng phần tiếp giáp ống bệ phóng thân tên lửa ( khoá tên lửa ) van bơm 3.2.3 Khoá tên lửa - Dùng sợi dây rút nhựa quấn quanh đoạn ống 35cm - Cộ cố định sợi dây lại dùng keo nến để gia cố thêm - Luồn ống 40cm vào để khóa ngàm dây rút vào ngạnh cổ chai Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 13 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ 3.2.4 Van bơm : - Dùng van xe máy - Lấy đầu bịt ống 21mm, dùng mũi dao hơ nóng, để khoét lỗ tròn có đường kính đường kính van xe - Dùng xăm xe (ruột xe) làm gion chống xì Cắt mẩu xăm xe hình tròn nhét vừa vào đầu bịt ống 21mm Khoét lỗ nhó sỏ vừa van xe Để phần cao su van đầu bịt Vặn ốc xiết chặt van với đầu bịt Hoạt động: Dùng bơm xe đạp bơm khí vào chai, ý bơm vừa phải, bơm nhiều bị nổ, bơm bay không cao Sau bơm xong giữ bệ phóng thật chặt giựt khoá tên lửa cách dứt khoác để tên lửa bay lên IV: Hướng dẫn chế tạo tàu chạy nước Cấu tạo: Chiếc tàu làm xốp nhẹ, động nước bình nước hình trụ, đầu kín đầu có lỗ nhỏ Nguồn nhiệt đèn cồn Nguyên tắc hoạt động: Ngọn lửa đèn cồn làm sôi nước khí phía sau đẩy động trước Các bước thực 3.1 Chuẩn bị vật liệu: - Vài xốp nhỏ, mỏng, loại 2cm - Một hộp cá mồi sử dụng - kẽm - giấy cứng - keo mặt - chậu nước dài 1m ngang 30cm 3.2 Thực 3.2.1: Làm tàu - Cắt xốp làm tàu có hình dạng theo ý thích.Nên làm nhỏ gọn, dài khoảng 30cm - Cắt giấy cứng để trang trí xung quanh 3.2.2 Làm động cơ: - Hộp cá mòi sử dụng, rửa , đậy kín đầu Ở đầu đục lỗ nhỏ cỡ đầu đũa làm chỗ thoát khí - dùng dây kẽm cứng để làm đế giữ hộp cá, cao khoảng 10cm, đặt lên xốp cố định vị trí để giữ thăng Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 14 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ 3.2.3 Hoạt động: Đặt tàu lên chậu nước Đốt đèn cồn cẩn thận đặt phía động cơ, sau chừng 2-3 phút nước sôi nước thoát đẩy tàu chuyển động Chú ý chậu nước không cần làm sâu rộng, chiều rộng cần lớn tàu chút để tàu chuyển động thẳng Cần làm dài để quan sat chuyển động tàu thú vị Có thể gắn cờ đuôi nheo nhỏ phía sau lỗ khí để tàu chạy, cờ phấp phới theo dòng khí V Thực nghiệm đề tài: Thực tế trải qua hai lần thực nghiệm tổ chức ngoại khoá thành công Lần thứ chương trình ngoại khoá “Vật lý vui” cho lớp 11A1, 11A2 năm học 2010 2011 Lần thứ hai ngoại khoá “ Rung chuông vàng Vật lý” dành cho khối 12 năm học 2012 - 2013 Có thể nói thí nghiệm, mô hình tên lửa nước động đốt thật hấp dẫn thu hút đông đảo học sinh tham gia Một chương trình ngoại khoá với nhiều nội dung, song việc bắn tên lửa nước chạy thử nghiệm tàu dùng động nước gấy ý góp phần làm chương trình ngoại khoá thành công tốt đẹp Sự thành công không đơn mang lại sân chơi bổ ích giúp học sinh thư giản mà dịp để học sinh khắc sâu thêm kiến thức học Thể tài năng, sáng tạo Sự nhiệt tình hưởng ứng học sinh thể tình yêu em môn học, thực nghiệm vật lý Một số hình ảnh hoạt động ngoại khoá ghi lại đĩa CD kèm theo đề tài Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 15 Sáng kiến kinh nghiệm GVTH: Trang Sỹ Dũ C KẾT LUẬN Tuy đề tài sáng kiến đổi phương pháp dạy học Vật lý, hay phát mẽ chuyên môn để áp dụng vào việc dạy học Đề tài giống viết để Học sinh Giáo viên tham khảo tự chế tạo tên lửa nước hay động nước theo sở thích, qua góp phần làm cố kiến thức học sinh Giúp học sinh thấy ứng dụng thực tiễn Vật lý vào đời sống Nội dung đề tài có phần sơ lược lịch sử phát triển tên lửa nghiên cứu vũ trụ để giúp học sinh người tham khảo thấy tầm quan trọng Vật lý khoa học đời sống, thấy ý nghĩa định luật Vật lý định luật bảo toàn động lượng ảnh hưởng đến sống người Hy vọng đề tài làm tăng tình yêu thích em học sinh môn học Vật lý góp phần nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện Đề tài có tham khảo số tư liệu từ nguồn thư viện vật lý số trang web mạng Internet để có nội dung phong phú Dù cố gắng chắn đề tài số chỗ chưa xác sai sót, mong cảm thông chân thành cảm ơn Tân Phú ngày 15/5/2013 Trang Sĩ Dũ Trường THPT Đoàn kết Tân Phú – Đồng Nai Trang 16