213. Дослідження космічного простору. Частина 1.
Матеріал
Урок №213. Дослідження космічного простору. Частина 1.
Очікувані результати навчання:
Мета уроку:
- ознайомити учнів із ключовими історичними подіями, що змінили хід космічних досліджень — від винаходу телескопа до запуску супутників, пілотованих польотів та створення МКС;
- формувати уявлення про взаємозв’язок науки, технологій, культури та політики в контексті освоєння Всесвіту.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:
- ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
- ЦСР 12: Відповідальне споживання та виробництво
- ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку
Ключові слова: космос, ракета, орбіта, супутник, невагомість, космічні швидкості, навігація, сонячний вітер, радіація, гравітація, метеорологія, сейсмометр, лазерний відбивач.
План уроку:
- Мотивація
- Історія дослідження космічного простору
- Практичний блок
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
Очікувані результати для вчителя:
1. Мотивація (проблемне питання):
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 3 хв.
“Один маленький крок для людини, один гігантський стрибок для людства”
Кому належить ця фраза і після якої події вона прозвучала?
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
2. Історія дослідження космічного простору
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 12 хв.
- Створіть часову лінію подій (таймлайн) разом з учнями.
- Використовуйте відео-ілюстрації
- Виберіть кілька історій для глибшого занурення
(деякі з цих історій будуть використані у практичній частині, зверніть на це увагу!)- Спостереження за супутниками через сайти типу Heavens Above
(https://heavens-above.com/)
На сайті присутньо багато цікавих візуалізацій.
Історія дослідження космічного простору (табл.1)
| Рік | Подія | Розгорнутий опис |
|---|---|---|
| 1609 | Галілео Галілей — перший телескоп | Італійський вчений Галілео Галілей сконструював один із перших телескопів і направив його на небо. Він виявив гори та кратери на Місяці, чотири супутники Юпітера, фази Венери і численні зорі. Ці спостереження підтвердили геліоцентричну модель Коперника і заклали основи сучасної астрономії. |
| 1903 | Ціолковський: теорія ракетного польоту | Костянтин Ціолковський опублікував працю “Дослідження світових просторів реактивними приладами”, де вперше обґрунтував використання реактивного руху для польотів у космос. Він також передбачив життя у невагомості, створення орбітальних станцій і роль науки в освоєнні Всесвіту. |
| 1942 | Ракета V-2 (Німеччина) | У розпал Другої світової війни Німеччина здійснила запуск балістичної ракети V-2, яка досягла висоти понад 85 км. Це був перший технічний пристрій, який пройшов межу атмосфери. |
| 1947 | Перші живі істоти в космосі — мухи (США) | У рамках біологічного експерименту США запустили ракету з мухами-дрозофілами, щоб вивчити вплив космічного випромінювання на живі організми. Всі тварини вижили, що підтвердило безпеку короткочасних польотів для біосистем. |
| 1957 | «Супутник-1» (СРСР) | СРСР вперше в історії вивів на орбіту штучний супутник, який передавав радіосигнали. |
| 1957 | Собака Лайка (СРСР) | На борту “Супутника-2” полетіла перша тварина — собака Лайка. Її політ став важливим етапом вивчення впливу невагомості та стресу на живі істоти. Хоча повернення не було передбачене, місія забезпечила цінну медико-біологічну інформацію. |
| 1960 | TIROS-1 — перший метеорологічний супутник (США) | Супутник TIROS-1 передавав телевізійні зображення хмар, що дозволило вперше в історії спостерігати глобальні атмосферні явища з орбіти. Це започаткувало нову еру метеорології. |
| 1961 | Гагарін — перший політ людини в космос (СРСР) | Юрій Гагарін облетів Землю за 108 хвилин на кораблі “Восток-1”. Це довело, що людина може вижити в умовах невагомості та космічного випромінювання. |
| 1962 | Telstar-1 — перший телекомунікаційний супутник (США) | Завдяки Telstar-1 відбулася перша трансляція телевізійного сигналу через Атлантичний океан. Це дозволило налагодити глобальний супутниковий зв’язок між континентами. |
| 1963 | Терешкова — перша жінка в космосі (СРСР) | Валентина Терешкова провела майже 3 доби на орбіті. Її політ продемонстрував, що жінки здатні витримати фізичні й психологічні навантаження тривалих польотів. |
| 1966 | Розвідувальні супутники (СРСР, США) | Запуск апаратів серій “Зеніт”, “Оріон”, “Каньон” для військової розвідки. Супутники здійснювали аерофотозйомку, радіоперехоплення та спостереження за військовими об’єктами у режимі реального часу. |
| 1969 | Аполлон-11: перша людина на Місяці (США) | Ніл Армстронг і Базз Олдрін висадились на Місяць і встановили прапор США. Вони провели 2,5 години на поверхні, зібрали зразки ґрунту і встановили наукове обладнання. |
| 1971 | Салют-1 — перша орбітальна станція (СРСР) | Станція забезпечувала роботу екіпажу впродовж тривалого часу. Космонавти проводили медико-біологічні дослідження, що стали базою для створення майбутніх космічних баз. |
| 1975 | Союз–Аполлон — міжнародна місія (СРСР + США) | Кораблі двох держав вперше зістикувалися на орбіті. Це стало прикладом наукової дипломатії та початком міжнародної співпраці у космосі. |
| 1976 | SATCOM — телефонний супутниковий зв’язок | Створення першої серії супутників, які забезпечували цивільний телефонний зв’язок між континентами. Це поклало початок глобальній інфраструктурі супутникового зв’язку. |
| 1986 | Космічна станція «Мир» (СРСР) | Наймасштабніший орбітальний науковий комплекс свого часу. Приймала багатонаціональні екіпажі, використовувалась для довготривалих експериментів у різних галузях науки. |
| 1990 | Телескоп Габбл (NASA + ESA) | Телескоп на орбіті зробив революцію в астрономії. З його допомогою вчені змогли побачити галактики, туманності та зірки на відстані мільярдів світлових років. |
| 1993 | GPS — глобальна навігація (США) | Завершено розгортання супутникової навігаційної системи GPS. Спочатку військова, вона згодом стала невід’ємною частиною цивільного життя: від транспорту до смартфонів. |
| 1998 | МКС — міжнародна космічна станція | Об’єднаний проєкт багатьох країн. Станція стала найбільшим об’єктом, створеним людиною на орбіті. Працює як лабораторія для досліджень у біології, медицині, фізиці та матеріалознавстві. |
| 2000 | Початок постійної присутності людини на МКС | З листопада 2000 року на борту МКС постійно перебувають екіпажі. Це дозволяє проводити тривалі експерименти й готуватися до польотів на Марс. |
| 2004 | SpaceShipOne — приватний суборбітальний політ | Перша приватна космічна компанія здійснила успішний пілотований політ на межу космосу. Це відкриває нову еру — комерціалізацію космосу. |
| 2015 | New Horizons — дослідження Плутона (NASA) | Зонд пролетів повз Плутон і передав детальні зображення, які повністю змінили уявлення про цю карликову планету. |
| 2016 | ExoMars (ESA + Росія) | Програма з вивчення атмосфери Марса та пошуку ознак минулого життя. Частина спільної європейсько-російської програми. |
| 2019–дотепер | Starlink (SpaceX) — супутниковий Інтернет | Проєкт Ілона Маска із запуску тисяч малих супутників на низьку орбіту. Надає доступ до Інтернету в найвіддаленіших куточках планети. |
| 2020 | Crew Dragon — приватний екіпаж на МКС (SpaceX + NASA) | Перший пілотований політ приватної ракети до МКС. Замість державних агентств виведення людини на орбіту тепер можливе й за участі бізнесу. |
| 2021 | Джеймс Вебб — телескоп нового покоління | Потужніший за Габбл, телескоп досліджує перші зорі, атмосфери екзопланет та формування галактик. |
| 2021 | Марсіанські ровери Perseverance (США), Zhurong (Китай) | Perseverance шукає сліди мікробного життя на Марсі, Zhurong став першим китайським ровером на іншій планеті. |
| 2023 | Artemis I — повернення людини на Місяць (NASA) | Початок американської програми з відновлення пілотованих місій на Місяць. Мета — створити постійну базу та вийти за межі Місяця. |
| 2023 | Chandrayaan-3 (Індія) | Перший апарат, який здійснив м’яку посадку на південному полюсі Місяця. Історичне досягнення Індії. |
| 2024 | Starship (SpaceX) | Найпотужніша ракета в історії людства. Розробляється для польотів на Місяць і Марс, перевезення великої кількості вантажу й екіпажів. |
3. Практичний блок:
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 15 хв.
Завдання №1
Основні наукові здобутки Костянтина Ціолковського у сфері космічних досліджень:
- обґрунтував можливість польоту за межі атмосфери за допомогою реактивного руху;
- сформулював знамените рівняння Ціолковського (основу сучасної ракетної динаміки);
- передбачив існування орбітальних станцій, життя в невагомості, майбутнє освоєння Всесвіту людиною.
- обґрунтував можливість виходу людини за межі атмосфери за допомогою реактивного руху.
- сформулював ідею, що найефективніше піднімати ракету у космос поступово, скидаючи використані частини.
- пропонував створення орбітальних станцій, міжпланетних кораблів, життя в умовах невагомості.
- Чому праці Ціолковського були теоретичними, а не практичними?
Відповідь: Тому що на той час не було достатнього технічного рівня та фінансування для втілення його ідей. Ціолковський працював самостійно, часто в умовах ізоляції, і створював лише математичні моделі та креслення. - Проаналізуй цитату Ціолковського: «Земля — колиска розуму, але не можна вічно жити в колисці». Що, на твою думку, мав на увазі вчений?
Як це пов’язане з сучасними космічними місіями?
Чому праці Ціолковського були теоретичними, а не практичними?
Відповідь: Ціолковський мав на увазі, що людство має розвиватися, виходити за межі планети й освоювати космос. Сучасні місії на Місяць, Марс, запуск МКС — підтвердження його бачення. - Чи можна вважати, що наукова фантастика стимулює розвиток реальної науки?
Відповідь: Так. Ідеї з фантастики часто надихають учених і інженерів — приклади: мобільні телефони, планшети, польоти в космос. Уява в літературі випереджає технічні можливості та задає напрямок розвитку. - З яких основних частин повинна складатися ракета, яка запускається в космос?
Відповідь: https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/rocket-parts/
Завдання №2
4 жовтня 1957 року був запущений у космос перший штучний супутник Землі діаметром 58 см, масою 83,6 кг (рис.2). Він здійснював повний оберт навколо Землі приблизно за 96 хв і передавав радіосигнал на частотах 20 та 40 МГц.
- Чому перший супутник мав сферичну форму?
Відповідь: Сфера має найменшу площу поверхні при заданому об’ємі, тому її легко герметизувати. Така форма також забезпечує рівномірне теплове випромінювання та зменшує ризик перегріву або переохолодження у вакуумі космосу. Крім того, сферичний корпус є стійким до змін тиску ззовні. - Яке призначення довгих стержнів на супутнику?
Відповідь: Довгі стрижні — це антени, які використовувались для передавання радіосигналу на Землю. Довжина антени впливає на ефективність випромінювання на певних частотах. Вони також забезпечували стабілізацію обертання супутника навколо своєї осі. - Чи повинна була мати поверхня супутника спеціальне покриття?
Відповідь: Так, поверхню покривали термозахисним покриттям, щоб уникнути перегріву або переохолодження. У космосі температура може коливатися від -100 °C до +150 °C. Покриття забезпечувало відбиття сонячного випромінювання та зменшення накопичення електричних зарядів. - Розрахуйте довжину електромагнітних хвиль знаючи частоту, на яких передавав сигнал супутник. Відповідь: 15 м; 7,5 м.
- «Супутник-1» перебував на еліптичній орбіті з такими висотами над поверхнею Землі:
- Перигей (найнижча точка орбіти) — 223 км
- Апогей (найвища точка орбіти) — 950 км
Використовуючи формули, обрахуйте швидкість обертання супутника в найнижчій та найвищий точці.
- Апогей (найвища точка орбіти) — 950 км
- Перигей (найнижча точка орбіти) — 223 км
-
– перша космічна швидкість поблизу поверхні Землі.
Саме таку швидкість у горизонтальному напрямку потрібно надати тілу на невеликій (порівняно з радіусом Землі) висоті, щоб це тіло стало штучним супутником Землі, який рухається по коловій орбіті. Існує ще друга, третя і четверта космічні швидкості. Що вони означають?
Завдання №3
Запуск (Television InfraRed Observation Satellite або TIROS-1) 1 квітня 1960 року став справжнім проривом у спостереженні за атмосферою Землі (рис.3). Вперше в історії людство отримало змогу бачити глобальні погодні явища з космосу в режимі майже реального часу. Супутник передавав зображення хмарового покриву, що дозволило метеорологам точніше прогнозувати шторми, циклони та інші атмосферні процеси.
- Чому TIROS-1 не передавав зображення в реальному часі на всю планету?
Відповідь: TIROS-1 мав обмежене покриття зв’язку: він міг передавати дані лише тоді, коли пролітав над наземними станціями прийому. Крім того, технології передачі великих обсягів даних були ще недосконалими, тому повноцінний «реальний час» був недоступний. - Як TIROS-1 вплинув на безпеку людей?
Відповідь: TIROS-1 дав змогу метеорологам раніше виявляти та відстежувати урагани, циклони й бурі, що значно підвищило ефективність попереджень про стихійні лиха — це врятувало тисячі життів і зменшило економічні збитки. - Чому погода стала “глобальним” поняттям лише після запуску супутників?
Відповідь: До запуску супутників погоду відстежували лише наземні станції — це давало фрагментовану інформацію. TIROS-1 уперше забезпечив суцільне спостереження атмосфери Землі, тож стало очевидно, як погодні системи взаємопов’язані в межах усієї планети. - Які дані про погоду ви отримуєте щодня завдяки “нащадкам” TIROS-1, навіть не усвідомлюючи цього?
Відповідь: Супутникові знімки хмар у прогнозах на телефонах- Температура повітря на висоті та на поверхні
- Попередження про опади, шторми та зміни тиску
- Дані для авіації та морських маршрутів
- І навіть супутникові карти забруднення повітря або пожеж
Завдання №4
У лютому 1947 року США запустили ракету V-2, яка досягла висоти понад 100 км. На борту були мушки-дрозофіли, яких використовували для вивчення впливу космічного випромінювання, прискорення, температури на живі організми (рис.4). Це був перший біологічний експеримент у космосі. Усі мушки повернулися живими. Це довело можливість проводити біоексперименти в суборбітальних польотах.
- Чому саме мушки-дрозофіли були вибрані для польоту, а не миші чи жаби?
Відповідь: Мушки-дрозофіли мають короткий життєвий цикл, просту генетику, невеликі розміри й невибагливі умови утримання. Їх легко досліджувати, а для експерименту потрібно мало місця та ресурсів. До того ж, більшість генів, відповідальних за розвиток і хвороби, у них подібні до людських. - Як певні умови могли вплинути на мушок у польоті? Заповніть табл.2.
Табл.2
| Фактор впливу | Значення в польоті | Можливий ефект на мушок |
|---|---|---|
| Висота польоту | ~109 км | Радіація, зниження тиску, невагомість |
| Радіація | Понад норму земної | Мутації, зміни в клітинах |
| Прискорення (G) | до 20 G при старті | Стрес, вплив на органи та нервову систему |
| Тривалість польоту | ~3 хв | Обмежений час дії чинників |
| Температура | -40 до +50 °C | Потенційний вплив на метаболізм |
- Якби після польоту виявили мутації у потомстві мушок — як це змінило б плани щодо польотів людини?
Відповідь: Виявлення мутацій могло б свідчити про небезпеку космічного випромінювання для ДНК. Це спонукало б вчених відкласти пілотовані місії, посилити захист від радіації та спершу провести більше біологічних експериментів на тваринах. - Чому дрозофіли ідеальні для спостереження за клітинними змінами, пов’язаними з радіацією?
Відповідь: Їхня ДНК добре вивчена, вони швидко розмножуються і чутливі до генетичних змін. Будь-які мутації легко помітити у потомстві вже через кілька днів після польоту. - Який із наведених факторів є найбільш небезпечним для життя складного організму, наприклад, миші?
Відповідь: Найбільш небезпечним є космічне випромінювання. Воно може спричинити пошкодження клітин, ДНК, розвиток раку або спадкових хвороб. Для більших і складніших організмів, як-от миші чи люди, це становить серйозну загрозу.
Завдання №5
Місія Apollo 11:
- Загальна тривалість місії: 8 днів 3 години 18 хвилин
- Час на Місяці (місячний модуль на поверхні): 21 година 36 хвилин
- Час поза модулем (місячна прогулянка, EVA): 2 години 31 хвилина
20 липня 1969 року Ніл Армстронг і Базз Олдрін висадилися у кратері Tranquillitatis. Вони встановили кілька наукових приладів (сейсмометр, лазерний відбивач), зібрали близько 21 кг місячного ґрунту . Місія показала можливості доставки людей за межі геоорбіти і сприяла створенню серії наукових аналізів (рис.5).
- Які біопсихологічні виклики могли виникати у космонавтів під час місії ?
Відповідь:- Стрес і тривога: через відповідальність, замкнений простір, обмежений зв’язок.
- Порушення сну: відсутність звичних добових циклів.
- Фізичний дискомфорт: невагомість, обмеження руху в скафандрі.
- Ізоляція: емоційна віддаленість від Землі.
- Монотонність та втома: робота за графіком і обмежене спілкування.
- Чому навіть через десятиліття відбитки ніг і сліди досі добре видно?
Які умови на Місяці сприяють такому «збереженню» (рис.6)?
Відповідь: На Місяці:- немає атмосфери, тож немає вітру або дощу,
- немає води, тож ерозія відсутня,
- відсутня текучість ґрунту, бо частки реголіту не переміщуються без зовнішньої дії.
Тому сліди не зникають тисячоліттями.
- Для чого на Місяці астронавтами був встановлений сейсмометра (рис.7)?
Відповідь: Щоб вивчати “місяцетрясіння” — сейсмічну активність Місяця.
Це дозволяє:- дослідити внутрішню будову Місяця (ядро, мантія, кора),
- виявити, як він реагує на удари метеоритів,
- оцінити стабільність для майбутніх місячних баз.
- Для чого на Місяці астронавтами був встановлений лазерний відбивач (рис.8)?
Відповідь: Щоб точно вимірювати відстань до Місяця за допомогою лазерного променя, надісланого з Землі.
Ці вимірювання:- дозволяють визначати зміну орбіти Місяця (він віддаляється ≈3,8 см/рік),
- уточнюють гравітаційні теорії та обертання Землі.
Також на поверхні Місяці був проведений сонячний вітровий експеримент (Solar Wind Composition Experiment — SWC). Експеримент був розроблений і вперше реалізований Університетом Берна (Швейцарія) за керівництва професора Йогана Геїсса (Johannes Geiss).
Це був єдиний експеримент, розроблений не в США, а за кордоном, і доставлений на Місяць.
Суть експерименту:
- На поверхні Місяця була встановлена алюмінієва фольга (довжина — 1,4 метра, ширина — 0,3 метра).
- Вона залишалась розгорнутою протягом 77 хвилин, вловлюючи заряджені частинки сонячного вітру.
- Після експозиції фольгу згорнули, герметично запакували та доставили на Землю для аналізу у лабораторіях (рис.9).
Отримані результати в ході аналізу результатів
| Елемент | Вміст (%) у пробі |
| Гелій-4 | ~95% |
| Гелій-3 | ~4% |
| Неон | ~0,5% |
| Аргон | ~0,05% |
- Що таке сонячний вітер?
Відповідь: Це потік заряджених частинок (переважно протонів і альфа-частинок), які викидаються Сонцем у космос. Він постійно впливає на всі тіла в Сонячній системі, включно з магнітосферою Землі та поверхнею Місяця. - Чому гелій-4 так сильно домінує серед частинок сонячного вітру?
Відповідь: Гелій-4 — це основний продукт ядерного синтезу в надрах Сонця (2 протони + 2 нейтрони → альфа-частинка). Тому він присутній у великій кількості в зовнішніх шарах Сонця і масово викидається в сонячному вітрі. - Чому плівка розміщена саме так, а не даху корабля чи скафандрах?
Відповідь: Мета — вловити чистий потік частинок сонячного вітру без екранування чи перешкод. Корабель і скафандр мають покриття, які могли б спотворити або відбити частинки. Розміщення на поверхні Місяця дозволяє контролювати напрямок і час експозиції. - У чому проблема провести цей дослід на планеті Земля?
Відповідь: На Землі:- сонячний вітер екранується магнітосферою,
- атмосфера гальмує або поглинає заряджені частинки.
Отже, такий чистий експеримент можливий лише в космосі або на тілі без атмосфери — як Місяць.
- Яку інформацію вчені могли отримати завдяки місячному грунту, який астронавти доставили на Землю?
Відповідь:- Мінеральний склад Місяця (базальти, анортозити),
- відсутність органіки та води у зразках,
- історію зіткнень з метеоритами,
- радіоізотопи, що дозволили визначити вік поверхні (~4,5 млрд років),
- дані для моделювання еволюції Сонячної системи.
- Чи можна вважати цю місію більше науковою, політичною чи культурною?
Відповідь: Вона була тріадою:- Політична: США довели перевагу в “космічних перегонах”.
- Наукова: зібрано унікальні зразки, встановлено прилади.
- Культурна: символ людського прагнення до знань і прориву в освоєнні Всесвіту.
- Чому це була єдина пілотована людьми місія на місяць?
Відповідь:- Фінансово дуже дорога: ≈ 25 млрд дол.
- Ризики і технічна складність.
- Після досягнення цілі (перемога в перегонах) інтерес суспільства й політиків зменшився.
Завдання №6
У 1993 році система GPS (Global Positioning System) стала повністю функціональною. Вона складалася з 24 супутників, що оберталися на середній навколоземній орбіті (~20 200 км) і забезпечували покриття будь-якої точки Землі. Спочатку система мала військове призначення, але з 2000 року була відкрита для цивільного користування. Сьогодні GPS використовується в смартфонах, транспорті, геодезії, науці, військових системах та повсякденному житті (рис.10)
- За який час сигнал GPS доходить з супутника (20200 км) до Землі?
Відповідь: t=L/v=0,067 с=67 мс - Чому синхронізація супутників з Землею відбувається за допомогою атомного годинника?
Відповідь: GPS працює на вимірюванні часу проходження сигналу. Навіть похибка у 1 мікросекунду (мкс) може дати помилку у 300 м при визначенні координат. Атомні годинники мають надвисоку точність (до 10⁻⁹ с) і забезпечують синхронність між усіма супутниками та наземними станціями. - Як GPS вплинув на роботу служб доставки?
Відповідь: Оптимізував логістику:- Точне планування маршрутів з урахуванням трафіку.
- Відстеження вантажів у режимі реального часу.
- Зменшення витрат на паливо, швидше обслуговування клієнтів.
- Підвищилась швидкість, точність і надійність доставки.
- Як змінилася робота аграрного сектору завдяки GPS?
Відповідь: З’явилось “точне землеробство”:- Автоматизована посадка, зрошення, обприскування.
- GPS-контроль техніки — трактори їдуть самостійно з точністю до кількох сантиметрів.
- Зменшення витрат ресурсів (паливо, добрива, насіння).
- Підвищення врожайності і ефективності сільського господарства.
- Наведіть приклади сфер життя, існування яких вже неможливе без GPS. Відповідь аргументуйте.
Відповідь:- Смартфони та карти: пошук місця, навігація, служби таксі.
- Автомобільні перевезення: логістика, вантажоперевезення.
- Авіація та мореплавство: точне позиціювання і прокладання маршрутів.
- Рятувальні служби: точне визначення місця аварій чи надзвичайних ситуацій.
- Геодезія та наукові дослідження: супутникова зйомка, сейсмологія.
- Без GPS багато процесів стали б неточними, повільними або неможливими.
- Які ще існують глобальні супутникові навігаційні системи?
Відповідь: Окрім GPS (США):- GLONASS (Росія)
- Galileo (ЄС)
- BeiDou (Китай)
- IRNSS/NavIC (Індія — регіональна)
- QZSS (Японія — регіональна).
- Які ризики супутникової залежності? Відповідь: Можливі загрози:
- Перешкоди або глушіння сигналу (jamming) — з боку техніки або ворогів.
- Кібератаки або підміна сигналів (spoofing) — можуть призвести до неправильних координат.
- Пошкодження супутників через війни або космічне сміття.
- Повна залежність критичних систем (авіація, армія, фінанси) від сигналів GPS.
Тому деякі країни створюють дублюючі або альтернативні системи позиціонування.
4. Попрактикуймо самостійно
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 12 хв.
GPS-арт — мистецтво на карті
Створіть малюнок, слово або символ на мапі за допомогою маршруту, який ви проклали в онлайн-сервісі або реально пройшли/проїхали.
Створіть маршрут у сервісі https://www.plotaroute.com або Google Maps.
Рівень А: створіть маршрут у вигляді слова з 3-4 літер (яке зустрічалося на цьому уроці)
Рівень В: створить маршрут слова з 5 літер і більше(яке зустрічалося на цьому уроці)
Рівень В: створить маршрут у вигляді складної фігури, яка якимось чином пов’язана з темою сьогоднішнього уроку.
Визначте загальну відстань шляху та час, який потрібен, щоб його подолати.
Приклади (рис.11)
Рефлексія:
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 3 хв.
Уяви, що до тебе завітав справжній космонавт. Які 3 запитання ти б йому поставив після цього уроку?
Урок №213. Дослідження космічного простору. Частина 1.
Очікувані результати навчання:
Мета уроку:
- ознайомити учнів із ключовими історичними подіями, що змінили хід космічних досліджень — від винаходу телескопа до запуску супутників, пілотованих польотів та створення МКС;
- формувати уявлення про взаємозв’язок науки, технологій, культури та політики в контексті освоєння Всесвіту.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:
- ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
- ЦСР 12: Відповідальне споживання та виробництво
- ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку
Ключові слова: космос, ракета, орбіта, супутник, невагомість, космічні швидкості, навігація, сонячний вітер, радіація, гравітація, метеорологія, сейсмометр, лазерний відбивач.
План уроку:
- Мотивація
- Історія дослідження космічного простору
- Практичний блок
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
1. Мотивація (проблемне питання):
“Один маленький крок для людини, один гігантський стрибок для людства”
Кому належить ця фраза і після якої події вона прозвучала?
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
2. Історія дослідження космічного простору
Історія дослідження космічного простору (табл.1)
| Рік | Подія | Розгорнутий опис |
|---|---|---|
| 1609 | Галілео Галілей — перший телескоп | Італійський вчений Галілео Галілей сконструював один із перших телескопів і направив його на небо. Він виявив гори та кратери на Місяці, чотири супутники Юпітера, фази Венери і численні зорі. Ці спостереження підтвердили геліоцентричну модель Коперника і заклали основи сучасної астрономії. |
| 1903 | Ціолковський: теорія ракетного польоту | Костянтин Ціолковський опублікував працю “Дослідження світових просторів реактивними приладами”, де вперше обґрунтував використання реактивного руху для польотів у космос. Він також передбачив життя у невагомості, створення орбітальних станцій і роль науки в освоєнні Всесвіту. |
| 1942 | Ракета V-2 (Німеччина) | У розпал Другої світової війни Німеччина здійснила запуск балістичної ракети V-2, яка досягла висоти понад 85 км. Це був перший технічний пристрій, який пройшов межу атмосфери. |
| 1947 | Перші живі істоти в космосі — мухи (США) | У рамках біологічного експерименту США запустили ракету з мухами-дрозофілами, щоб вивчити вплив космічного випромінювання на живі організми. Всі тварини вижили, що підтвердило безпеку короткочасних польотів для біосистем. |
| 1957 | «Супутник-1» (СРСР) | СРСР вперше в історії вивів на орбіту штучний супутник, який передавав радіосигнали. |
| 1957 | Собака Лайка (СРСР) | На борту “Супутника-2” полетіла перша тварина — собака Лайка. Її політ став важливим етапом вивчення впливу невагомості та стресу на живі істоти. Хоча повернення не було передбачене, місія забезпечила цінну медико-біологічну інформацію. |
| 1960 | TIROS-1 — перший метеорологічний супутник (США) | Супутник TIROS-1 передавав телевізійні зображення хмар, що дозволило вперше в історії спостерігати глобальні атмосферні явища з орбіти. Це започаткувало нову еру метеорології. |
| 1961 | Гагарін — перший політ людини в космос (СРСР) | Юрій Гагарін облетів Землю за 108 хвилин на кораблі “Восток-1”. Це довело, що людина може вижити в умовах невагомості та космічного випромінювання. |
| 1962 | Telstar-1 — перший телекомунікаційний супутник (США) | Завдяки Telstar-1 відбулася перша трансляція телевізійного сигналу через Атлантичний океан. Це дозволило налагодити глобальний супутниковий зв’язок між континентами. |
| 1963 | Терешкова — перша жінка в космосі (СРСР) | Валентина Терешкова провела майже 3 доби на орбіті. Її політ продемонстрував, що жінки здатні витримати фізичні й психологічні навантаження тривалих польотів. |
| 1966 | Розвідувальні супутники (СРСР, США) | Запуск апаратів серій “Зеніт”, “Оріон”, “Каньон” для військової розвідки. Супутники здійснювали аерофотозйомку, радіоперехоплення та спостереження за військовими об’єктами у режимі реального часу. |
| 1969 | Аполлон-11: перша людина на Місяці (США) | Ніл Армстронг і Базз Олдрін висадились на Місяць і встановили прапор США. Вони провели 2,5 години на поверхні, зібрали зразки ґрунту і встановили наукове обладнання. |
| 1971 | Салют-1 — перша орбітальна станція (СРСР) | Станція забезпечувала роботу екіпажу впродовж тривалого часу. Космонавти проводили медико-біологічні дослідження, що стали базою для створення майбутніх космічних баз. |
| 1975 | Союз–Аполлон — міжнародна місія (СРСР + США) | Кораблі двох держав вперше зістикувалися на орбіті. Це стало прикладом наукової дипломатії та початком міжнародної співпраці у космосі. |
| 1976 | SATCOM — телефонний супутниковий зв’язок | Створення першої серії супутників, які забезпечували цивільний телефонний зв’язок між континентами. Це поклало початок глобальній інфраструктурі супутникового зв’язку. |
| 1986 | Космічна станція «Мир» (СРСР) | Наймасштабніший орбітальний науковий комплекс свого часу. Приймала багатонаціональні екіпажі, використовувалась для довготривалих експериментів у різних галузях науки. |
| 1990 | Телескоп Габбл (NASA + ESA) | Телескоп на орбіті зробив революцію в астрономії. З його допомогою вчені змогли побачити галактики, туманності та зірки на відстані мільярдів світлових років. |
| 1993 | GPS — глобальна навігація (США) | Завершено розгортання супутникової навігаційної системи GPS. Спочатку військова, вона згодом стала невід’ємною частиною цивільного життя: від транспорту до смартфонів. |
| 1998 | МКС — міжнародна космічна станція | Об’єднаний проєкт багатьох країн. Станція стала найбільшим об’єктом, створеним людиною на орбіті. Працює як лабораторія для досліджень у біології, медицині, фізиці та матеріалознавстві. |
| 2000 | Початок постійної присутності людини на МКС | З листопада 2000 року на борту МКС постійно перебувають екіпажі. Це дозволяє проводити тривалі експерименти й готуватися до польотів на Марс. |
| 2004 | SpaceShipOne — приватний суборбітальний політ | Перша приватна космічна компанія здійснила успішний пілотований політ на межу космосу. Це відкриває нову еру — комерціалізацію космосу. |
| 2015 | New Horizons — дослідження Плутона (NASA) | Зонд пролетів повз Плутон і передав детальні зображення, які повністю змінили уявлення про цю карликову планету. |
| 2016 | ExoMars (ESA + Росія) | Програма з вивчення атмосфери Марса та пошуку ознак минулого життя. Частина спільної європейсько-російської програми. |
| 2019–дотепер | Starlink (SpaceX) — супутниковий Інтернет | Проєкт Ілона Маска із запуску тисяч малих супутників на низьку орбіту. Надає доступ до Інтернету в найвіддаленіших куточках планети. |
| 2020 | Crew Dragon — приватний екіпаж на МКС (SpaceX + NASA) | Перший пілотований політ приватної ракети до МКС. Замість державних агентств виведення людини на орбіту тепер можливе й за участі бізнесу. |
| 2021 | Джеймс Вебб — телескоп нового покоління | Потужніший за Габбл, телескоп досліджує перші зорі, атмосфери екзопланет та формування галактик. |
| 2021 | Марсіанські ровери Perseverance (США), Zhurong (Китай) | Perseverance шукає сліди мікробного життя на Марсі, Zhurong став першим китайським ровером на іншій планеті. |
| 2023 | Artemis I — повернення людини на Місяць (NASA) | Початок американської програми з відновлення пілотованих місій на Місяць. Мета — створити постійну базу та вийти за межі Місяця. |
| 2023 | Chandrayaan-3 (Індія) | Перший апарат, який здійснив м’яку посадку на південному полюсі Місяця. Історичне досягнення Індії. |
| 2024 | Starship (SpaceX) | Найпотужніша ракета в історії людства. Розробляється для польотів на Місяць і Марс, перевезення великої кількості вантажу й екіпажів. |
3. Практичний блок:
Завдання №1
Основні наукові здобутки Костянтина Ціолковського у сфері космічних досліджень:
- обґрунтував можливість польоту за межі атмосфери за допомогою реактивного руху;
- сформулював знамените рівняння Ціолковського (основу сучасної ракетної динаміки);
- передбачив існування орбітальних станцій, життя в невагомості, майбутнє освоєння Всесвіту людиною.
- обґрунтував можливість виходу людини за межі атмосфери за допомогою реактивного руху.
- сформулював ідею, що найефективніше піднімати ракету у космос поступово, скидаючи використані частини.
- пропонував створення орбітальних станцій, міжпланетних кораблів, життя в умовах невагомості.
- Чому праці Ціолковського були теоретичними, а не практичними?
- Проаналізуй цитату Ціолковського: «Земля — колиска розуму, але не можна вічно жити в колисці». Що, на твою думку, мав на увазі вчений?
Як це пов’язане з сучасними космічними місіями? - Чи можна вважати, що наукова фантастика стимулює розвиток реальної науки?
- З яких основних частин повинна складатися ракета, яка запускається в космос?
Завдання №2
4 жовтня 1957 року був запущений у космос перший штучний супутник Землі діаметром 58 см, масою 83,6 кг (рис.2). Він здійснював повний оберт навколо Землі приблизно за 96 хв і передавав радіосигнал на частотах 20 та 40 МГц.
- Чому перший супутник мав сферичну форму?
- Яке призначення довгих стержнів на супутнику?
- Чи повинна була мати поверхня супутника спеціальне покриття?
- Розрахуйте довжину електромагнітних хвиль знаючи частоту, на яких передавав сигнал супутник.
- «Супутник-1» перебував на еліптичній орбіті з такими висотами над поверхнею Землі:
- Перигей (найнижча точка орбіти) — 223 км
- Апогей (найвища точка орбіти) — 950 км
Використовуючи формули, обрахуйте швидкість обертання супутника в найнижчій та найвищий точці.
- Апогей (найвища точка орбіти) — 950 км
- Перигей (найнижча точка орбіти) — 223 км
- – перша космічна швидкість поблизу поверхні Землі.
Саме таку швидкість у горизонтальному напрямку потрібно надати тілу на невеликій (порівняно з радіусом Землі) висоті, щоб це тіло стало штучним супутником Землі, який рухається по коловій орбіті. Існує ще друга, третя і четверта космічні швидкості. Що вони означають?
Завдання №3
Запуск (Television InfraRed Observation Satellite або TIROS-1) 1 квітня 1960 року став справжнім проривом у спостереженні за атмосферою Землі (рис.3). Вперше в історії людство отримало змогу бачити глобальні погодні явища з космосу в режимі майже реального часу. Супутник передавав зображення хмарового покриву, що дозволило метеорологам точніше прогнозувати шторми, циклони та інші атмосферні процеси.
- Чому TIROS-1 не передавав зображення в реальному часі на всю планету?
- Як TIROS-1 вплинув на безпеку людей?
- Чому погода стала “глобальним” поняттям лише після запуску супутників?
- Які дані про погоду ви отримуєте щодня завдяки “нащадкам” TIROS-1, навіть не усвідомлюючи цього?
Завдання №4
У лютому 1947 року США запустили ракету V-2, яка досягла висоти понад 100 км. На борту були мушки-дрозофіли, яких використовували для вивчення впливу космічного випромінювання, прискорення, температури на живі організми (рис.4). Це був перший біологічний експеримент у космосі. Усі мушки повернулися живими. Це довело можливість проводити біоексперименти в суборбітальних польотах.
- Чому саме мушки-дрозофіли були вибрані для польоту, а не миші чи жаби?
- Як певні умови могли вплинути на мушок у польоті? Заповніть табл.2.
Табл.2
| Фактор впливу | Значення в польоті | Можливий ефект на мушок |
|---|---|---|
| Висота польоту | ~109 км | |
| Радіація | Понад норму земної | |
| Прискорення (G) | до 20 G при старті | |
| Тривалість польоту | ~3 хв | |
| Температура | -40 до +50 °C |
- Якби після польоту виявили мутації у потомстві мушок — як це змінило б плани щодо польотів людини?
- Чому дрозофіли ідеальні для спостереження за клітинними змінами, пов’язаними з радіацією?
- Який із наведених факторів є найбільш небезпечним для життя складного організму, наприклад, миші?
Завдання №5
Місія Apollo 11:
- Загальна тривалість місії: 8 днів 3 години 18 хвилин
- Час на Місяці (місячний модуль на поверхні): 21 година 36 хвилин
- Час поза модулем (місячна прогулянка, EVA): 2 години 31 хвилина
20 липня 1969 року Ніл Армстронг і Базз Олдрін висадилися у кратері Tranquillitatis. Вони встановили кілька наукових приладів (сейсмометр, лазерний відбивач), зібрали близько 21 кг місячного ґрунту . Місія показала можливості доставки людей за межі геоорбіти і сприяла створенню серії наукових аналізів (рис.5).
- Які біопсихологічні виклики могли виникати у космонавтів під час місії ?
- Чому навіть через десятиліття відбитки ніг і сліди досі добре видно?
Які умови на Місяці сприяють такому «збереженню» (рис.6)? - Для чого на Місяці астронавтами був встановлений сейсмометра (рис.7)?
- Для чого на Місяці астронавтами був встановлений лазерний відбивач (рис.8)?
Також на поверхні Місяці був проведений сонячний вітровий експеримент (Solar Wind Composition Experiment — SWC). Експеримент був розроблений і вперше реалізований Університетом Берна (Швейцарія) за керівництва професора Йогана Геїсса (Johannes Geiss).
Це був єдиний експеримент, розроблений не в США, а за кордоном, і доставлений на Місяць.
Суть експерименту:
- На поверхні Місяця була встановлена алюмінієва фольга (довжина — 1,4 метра, ширина — 0,3 метра).
- Вона залишалась розгорнутою протягом 77 хвилин, вловлюючи заряджені частинки сонячного вітру.
- Після експозиції фольгу згорнули, герметично запакували та доставили на Землю для аналізу у лабораторіях (рис.9).
Отримані результати в ході аналізу результатів
| Елемент | Вміст (%) у пробі |
| Гелій-4 | ~95% |
| Гелій-3 | ~4% |
| Неон | ~0,5% |
| Аргон | ~0,05% |
- Що таке сонячний вітер?
- Чому гелій-4 так сильно домінує серед частинок сонячного вітру?
- Чому плівка розміщена саме так, а не даху корабля чи скафандрах?
- У чому проблема провести цей дослід на планеті Земля?
- Яку інформацію вчені могли отримати завдяки місячному грунту, який астронавти доставили на Землю?
- Чи можна вважати цю місію більше науковою, політичною чи культурною?
- Чому це була єдина пілотована людьми місія на місяць?
Завдання №6
У 1993 році система GPS (Global Positioning System) стала повністю функціональною. Вона складалася з 24 супутників, що оберталися на середній навколоземній орбіті (~20 200 км) і забезпечували покриття будь-якої точки Землі. Спочатку система мала військове призначення, але з 2000 року була відкрита для цивільного користування. Сьогодні GPS використовується в смартфонах, транспорті, геодезії, науці, військових системах та повсякденному житті (рис.10)
- За який час сигнал GPS доходить з супутника (20200 км) до Землі?
- Чому синхронізація супутників з Землею відбувається за допомогою атомного годинника?
- Як GPS вплинув на роботу служб доставки?
- Як змінилася робота аграрного сектору завдяки GPS?
- Наведіть приклади сфер життя, існування яких вже неможливе без GPS. Відповідь аргументуйте.
- Які ще існують глобальні супутникові навігаційні системи?
- Які ризики супутникової залежності?
4. Попрактикуймо самостійно
GPS-арт — мистецтво на карті
Створіть малюнок, слово або символ на мапі за допомогою маршруту, який ви проклали в онлайн-сервісі або реально пройшли/проїхали.
Створіть маршрут у сервісі https://www.plotaroute.com або Google Maps.
Рівень А: створіть маршрут у вигляді слова з 3-4 літер (яке зустрічалося на цьому уроці)
Рівень В: створить маршрут слова з 5 літер і більше(яке зустрічалося на цьому уроці)
Рівень В: створить маршрут у вигляді складної фігури, яка якимось чином пов’язана з темою сьогоднішнього уроку.
Визначте загальну відстань шляху та час, який потрібен, щоб його подолати.
Приклади (рис.11)
Рефлексія:
Уяви, що до тебе завітав справжній космонавт. Які 3 запитання ти б йому поставив після цього уроку?
Ділись та обговорюй важливе