Temat

Loty w kosmos

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

III. Grawitacja i elementy astronomii. Uczeń:

2) wskazuje siłę grawitacji jako siłę dośrodkową w ruchu po orbicie kołowej, oblicza wartość prędkości na orbicie kołowej o dowolnym promieniu; omawia ruch satelitów wokół Ziemi.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wymienia zastosowania sztucznych satelitów Ziemi.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Opisuje przeznaczenie stacji kosmicznych.

2. Opisuje możliwości badawcze, jakie daje zastosowanie satelitów i sond kosmicznych.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- omawia ruch satelitów wokół ziemi,

- objaśnia korzyści z zastosowania satelitów i sond kosmicznych.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Uczniowie dyskutują na temat eksploracji przestrzeni kosmicznej.

Jakie korzyści przynoszą loty w kosmos?

Realizacja lekcji

Od setek lat ludzie marzyli o podróżach pozaziemskich. Dopiero w połowie XX wieku udało się te marzenia zrealizować. Pierwszym obiektem, który osiągnął ziemską orbitę był radziecki Sputnik 1, który został wystrzelony 4 października 1957 roku i przez 92 dni okrążał Ziemię, a następnie uległ zniszczeniu. Wydarzenie to zapoczątkowało intensywną eksplorację przestrzeni kosmicznej.

Sztuczne satelity krążą wokół Ziemi na orbitach położonych na różnych wysokościach.

Definicja:
Niska orbita okołoziemska – to orbita przebiegająca na wysokości od 200‑2000 km od powierzchni Ziemi.

Definicja:
Średnia orbita okołoziemska – tym pojęciem określa się przestrzeń pomiędzy niską orbitą okołoziemską a orbitą geostacjonarną. Orbita ta wykorzystywana jest głównie przez satelity nawigacyjne.

Definicja:
Orbita geostacjonarna – to orbita kołowa znajdująca się w płaszczyźnie równika Ziemi. Znajduje się ona na wysokości 35786 km od równika Ziemi, a prędkość ciała na orbicie to 3,08 $\frac{km}{s}$. Okres obiegu ciała na tej orbicie wynosi 23 godziny 56 minut i 4 sekundy (czas ten odpowiada dobie gwiazdowej), co powoduje, że ciało znajduje się zawsze w stałej pozycji nad wybranym punktem równika Ziemi.

[Grafika interaktywna]

Obecnie w przestrzeni kosmicznej znajdują się setki obiektów, które pełnią rolę badawczą i użytkową.

Satelity telekomunikacyjne:

Satelita telekomunikacyjny umożliwia teletransmisję sygnałów radiowych i telewizyjnych. Zadaniem takiego satelity jest odbieranie sygnału ze stacji naziemnej, wzmacnianie go i odsyłanie z powrotem na Ziemię. Prawie wszystkie satelity tego typu poruszają się po orbicie geostacjonarnej, co zapewnia im zachowanie stałej pozycji nad danym punktem na równiku Ziemi.

Satelity nawigacyjne:

Satelita nawigacyjny emituje sygnały radiowe, które wykorzystywane są do ustalania położenia obiektów na powierzchni Ziemi. Pozwalają na pomiar długości i szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza, prędkości przemieszczania się obiektu. Satelity nawigacyjne poruszają się na wysokości ok. 20000 km nad powierzchnią Ziemi.

Najpopularniejszy jest amerykański system GPS (Global Positioning System). Równolegle funkcjonuje rosyjski system GLONASS.

W 2020 pełną funkcjonalność ma osiągnąć europejski system GALILEO.

Systemy te obejmują swym zasięgiem całą Ziemię.

Chiński system Beidou, który również w 2020 ma osiągnąć pełną zdolność operacyjną, obejmuje swym zasięgiem Chiny i państwa sąsiadujące.

Systemy nawigacji służą celom militarnym oraz cywilnym, mogą być użytkowane przez posiadaczy nie tylko specjalnych odbiorników, lecz także smartfonów.

Poniższy rysunek pokazuje charakterystyczne wielkości i ich wartości opisujące ruch satelitów, jak okres obiegu, promień orbity, prędkość z jaką porusza się satelita na danej orbicie, wysokość nad poziomem morza, na której znajduje się satelita.

[Ilustracja 1]

Satelity i sondy naukowe:

Poza satelitami nawigacyjnymi w przestrzeni kosmicznej znajdują się również inne satelity, np. meteorologiczne, badawcze, teleskopy kosmiczne. Satelity te znajdują się na różnych wysokościach i okrążają Ziemię z różnymi prędkościami.

Teleskop Hubble’a:

Teleskop Hubble'a (Hubble Space Telescope – HST) został wyniesiony na niską orbitę okołoziemską w 1990 r. Obiega Ziemię w niespełna 97 minut. Powstał dzięki współpracy dwóch agencji astronomicznych – amerykańskiej NASA i europejskiej ESA. Teleskop Hubble'a dostarcza ciekawego materiału badawczego dla astronomów.

Teleskop Chandra:

Teleskop kosmiczny Chandra został wystrzelony w 1999 r. Teleskop ten rejestruje źródła promieniowania rentgenowskiego – promieniowanie to pozwala na obserwacje białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur.

Czas misji satelity początkowo przewidywany na pięć lat, został przedłużony i teleskop po 18 latach użytkowania, wciąż dostarcza wiele ważnych informacji.

Teleskop Spitzera:

Zakres promieniowania podczerwonego jest badany za pomocą teleskopu kosmicznego Spitzera. Teleskop ten został umieszczony na orbicie okołosłonecznej w 2003 r. i do tej pory nadal tam pozostaje. Porusza się po tej samej orbicie co Ziemia – podąża za nią w pewnej odległości.

Teleskop Webba:

Teleskop Webba znajduje się obecnie w budowie, a data jego wystrzelenia została kilkakrotnie opóźniona i jest przewidywana na 2021 rok. Będzie się poruszał po orbicie eliptycznej wokół Słońca. Za pomocą teleskopu Webba będą prowadzone badania w podczerwieni.

[Ilustracja 2]

Stacje kosmiczne:

Na stacjach kosmicznych przeprowadza się nie tylko eksperymenty naukowe z różnych dziedzin fizyki i astronomii. Równie ważne są badania związane ze szczególnymi warunkami panującymi na stacji, mianowicie ze stanem nieważkości. Są to badania np. krystalizacji ciał w tym stanie (nie występuje wtedy zjawisko konwekcji) oraz wpływu stanu nieważkości na organizm człowieka.

Stacja Mir:

W latach 1986‑2001 radziecka stacja Mir („Pokój”) pełniła funkcję badawczej stacji kosmicznej. Rozbudowywano ją przez dołączanie kolejnych modułów aż do 1996 r. W wyniku rozbudowy masa stacji osiągnęła ponad 130 ton. Przez kilkanaście lat przebywało na niej 137 kosmonautów z wielu krajów, którzy przeprowadzili tysiące eksperymentów naukowych i zdobyli bezcenne doświadczenia związane z reakcją organizmu ludzkiego na długotrwały pobyt w stanie nieważkości.

Stacja ISS:

Międzynarodowej Stacja Kosmiczna („International Space Station”, w skrócie ISS) stała się następczynią stacji Mir. Jest to pierwsza stacja kosmiczna wybudowana przy współudziale wielu krajów. Umożliwia jednoczesne przebywanie sześciu członków stałej załogi Pierwsze moduły stacji zostały wyniesione na orbitę i połączone ze sobą w 1998 roku. Pierwsza stała załoga zamieszkała na niej w roku 2000.

Stacja ISS, podobnie jak wcześniej Mir, porusza się po niskiej orbicie okołoziemskiej.

Podsumowanie lekcji

Satelity, czyli ciała krążące wokół Ziemi, innych planet lub Słońca, mają różnorodne zastosowanie – od naukowego po komercyjne (telekomunikacja, audycje radiowe i telewizyjne). Niektóre satelity są przeznaczone do celów wojskowych lub wywiadowczych. Satelity pozwalają na obserwację zjawisk niedostępnych z powierzchni Ziemi albo na zbieranie doświadczeń związanych z długim pobytem człowieka w stanie nieważkości.