第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计五：飞天梦想是如何实现的？（word版教案）
文档属性
| 名称 | 第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计五：飞天梦想是如何实现的？（word版教案） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 467.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-06-10 13:08:28 | ||
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文档简介
第七章《万有引力与宇宙航行》学习活动设计五：飞天梦想是如何实现的？
【任务情景】
在我国古代有一个美丽的传说——嫦娥奔月。千百年来，人类一直都梦想着能遨游太空、探索宇宙。今天，人类已经实现了这个梦想，我们伟大祖国通过神舟号飞船已经将越来越多的宇航员送入了太空，那么神舟号飞船是如何飞出地球，进行宇宙航行的呢？
【学习任务一】三个宇宙速度
提问1：地面上的物体如何才能离开地面，绕地球运转呢？
学生思考与讨论得出：离开地面的速度要足够大。
教师：这个速度我们称为飞船的发射速度，大家的这个想法和早在三百多年前牛顿的设想不谋而合。
牛顿设想：从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。如果抛出的速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。
提问2：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Nm2/kg2，地球半径km，地球质量kg)
学生活动：推导物体在近地面绕地球做匀速圆周运动的速度。
学生回答方法一：万有引力提供物体做匀速圆周运动所需要的向心力。
km/s。
提问3：如果没有已知引力常量，而已知地球表面重力加速度为9.8m/s2，又将怎么求解这个速度呢？
学生回答方法二：在地面附近，重力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力。
km/s。
教师总结提升：由此可见，要把一颗卫星发射到太空，至少需要具有7.9km/s的速度，我们把这个速度叫做第一宇宙速度，它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度。如果我们发射卫星的速度正好等于这个速度，卫星恰好可以在地面附近做匀速圆周运动。
提问4：在地面附近绕地球做匀速圆周运动的卫星如果突然被点火加速，使速度达到8.5km/s，它将做怎样的运动呢？
学生回答：离心运动。
学生讨论：做离心运动的卫星会脱离地球引力的束缚吗？
教师提示：地球引力像一根强大而无形的绳子，牵引着人造卫星围绕地球转动。如果卫星的速度不足够大的时候，在地球的万有引力作用下，还会被“拉”回来，绕地球做椭圆轨道的运动。
教师引导学生思考与讨论：如果在地面上，卫星的发射速度达到8.5km/s，那么卫星绕地球运动的轨道是怎样的？请同学们将运行轨迹画在纸上。
学生思考、作图并展示：如图。
提问5：在卫星由近地点A向远地点B运动的过程中，卫星的动能和势能是怎样变化的？机械能守恒吗？
学生回答：在卫星由近地点A向远地点B运动的过程中，卫星的动能在减小，势能在增加，因为只有万有引力做功，所以机械能守恒。
教师引导学生思考与讨论：如果在地面上，卫星的发射速度达到10km/s，但仍然没有挣脱地球引力的束缚，那么卫星绕地球运动的轨道又是怎样的？请同学们再次将运行轨迹画在纸上。
学生思考、作图并展示：如图。
教师启发学生思考：当卫星绕地球运动轨道为椭圆时，在地面上的发射速度越大，椭圆的轨道就越“扁”（长轴越长），远地点距离地球就越远。如果发射速度继续增大，那么卫星可能脱离地球引力的束缚吗？
教师总结提升：经过科学家的研究和计算，当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球引力束缚，绕着太阳转动，变成一颗人造行星，这个速度我们称为第二宇宙速度。
教师启发学生进一步思考：如果速度进一步增大，物体能否脱离太阳引力的束缚？
教师总结提升：经研究表明，如果发射卫星的速度继续增大，达到16.7km/s时，就会挣脱太阳的引力束缚，运动到太阳系以外的空间中去。我们把这个速度称为第三宇宙速度。
迄今为止，人类已经发射了多颗外太阳系空间探测器，希望能在外太空找到类地文明。其中美国在1977年发射的旅行者1号，上面还携带了一张含有很多人类文明信息的铜制唱片，唱片中含有大量的中国元素：有中国京剧、古曲《高山流水》，还有四种中国方言的问候语。
【学习任务二】宇宙速度的理解
提问1：卫星绕着地球在轨道2做椭圆运动，当运行到图中远地点B时，要使卫星以BO为圆轨道半径绕地球在轨道3做匀速圆周运动，该加速还是减速呢？为什么？
学生思考讨论，并分析得出：通过点火加速可以实现。在远地点B时，由于万有引力大于向心力，卫星将做近心运动，加速后，使得万有引力恰好等于卫星在3轨道上做匀速圆周运动所需的向心力，卫星就在这个轨道上做匀速圆周运动了。
提问2：卫星在半径为r的圆轨道3上做匀速圆周运动，请同学们推导出描述圆周运动的线速度、角速度、周期、向心加速度这几个物理量的表达式。
学生活动：推导表达式并分享交流。
提问3：根据推导结果，请分析卫星做匀速圆周运动的各物理量与轨道半径有什么关系呢？
学生回答：由推导出的表达式可以得到卫星运行的、、及，都与轨道半径r有关，并且半径越大，、、越小，只有越大。
提问4：在轨道3上运动的卫星的速度与第一宇宙速度相比，大小关系如何？并说明为什么？
学生回答：第一宇宙速度大于此时卫星的速度。因为第一宇宙速度对应的卫星的轨道半径是所有卫星中的最小值。
教师总结提升：第一宇宙速度是所有卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大的运行速度，同时又是将卫星发射成功所必备的最小的发射速度，因为发射轨道半径越大的卫星，需要克服万有引力做的功越多，所以在地面需要更大的发射速度。而当卫星在远离地表的过程中，因为要克服万有引力做功，动能要减小，转化为势能，所以到高轨道上做匀速圆周运动的卫星运行速度反而小于低轨道卫星的运行速度。
【学习小结】
1．三个宇宙速度
（1）第一宇宙速度：7.9km/s，是最小的发射速度，最大的运行速度。
（2）第二宇宙速度：11.2km/s，达到第二宇宙速度，将脱离地球引力束缚。
（3）第三宇宙速度：16.7km/s，达到第三宇宙速度，将脱离太阳引力束缚。
2．研究天体运动的基本方法：卫星围绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力。
【学习评价自测】
1．关于第一宇宙速度，下面说法正确的是( )
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．所有卫星的运行速度都大于这个速度
参考答案：BC
2．关于环绕地球运行的人造地球卫星，有如下几种说法，其中正确的是 ( )
A．轨道半径越小，速度越小，周期越长
B．轨道半径越大，速度越大，周期越短
C．轨道半径越大，速度越大，周期越长
D．轨道半径越大，速度越小，周期越长
参考答案：D
【任务情景】
在我国古代有一个美丽的传说——嫦娥奔月。千百年来，人类一直都梦想着能遨游太空、探索宇宙。今天，人类已经实现了这个梦想，我们伟大祖国通过神舟号飞船已经将越来越多的宇航员送入了太空，那么神舟号飞船是如何飞出地球，进行宇宙航行的呢？
【学习任务一】三个宇宙速度
提问1：地面上的物体如何才能离开地面，绕地球运转呢？
学生思考与讨论得出：离开地面的速度要足够大。
教师：这个速度我们称为飞船的发射速度，大家的这个想法和早在三百多年前牛顿的设想不谋而合。
牛顿设想：从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。如果抛出的速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。
提问2：以多大的速度抛出这个物体，它才会绕地球表面运动，不会落下来？(已知Nm2/kg2，地球半径km，地球质量kg)
学生活动：推导物体在近地面绕地球做匀速圆周运动的速度。
学生回答方法一：万有引力提供物体做匀速圆周运动所需要的向心力。
km/s。
提问3：如果没有已知引力常量，而已知地球表面重力加速度为9.8m/s2，又将怎么求解这个速度呢？
学生回答方法二：在地面附近，重力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力。
km/s。
教师总结提升：由此可见，要把一颗卫星发射到太空，至少需要具有7.9km/s的速度，我们把这个速度叫做第一宇宙速度，它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度。如果我们发射卫星的速度正好等于这个速度，卫星恰好可以在地面附近做匀速圆周运动。
提问4：在地面附近绕地球做匀速圆周运动的卫星如果突然被点火加速，使速度达到8.5km/s，它将做怎样的运动呢？
学生回答：离心运动。
学生讨论：做离心运动的卫星会脱离地球引力的束缚吗？
教师提示：地球引力像一根强大而无形的绳子，牵引着人造卫星围绕地球转动。如果卫星的速度不足够大的时候，在地球的万有引力作用下，还会被“拉”回来，绕地球做椭圆轨道的运动。
教师引导学生思考与讨论：如果在地面上，卫星的发射速度达到8.5km/s，那么卫星绕地球运动的轨道是怎样的？请同学们将运行轨迹画在纸上。
学生思考、作图并展示：如图。
提问5：在卫星由近地点A向远地点B运动的过程中，卫星的动能和势能是怎样变化的？机械能守恒吗？
学生回答：在卫星由近地点A向远地点B运动的过程中，卫星的动能在减小，势能在增加，因为只有万有引力做功，所以机械能守恒。
教师引导学生思考与讨论：如果在地面上，卫星的发射速度达到10km/s，但仍然没有挣脱地球引力的束缚，那么卫星绕地球运动的轨道又是怎样的？请同学们再次将运行轨迹画在纸上。
学生思考、作图并展示：如图。
教师启发学生思考：当卫星绕地球运动轨道为椭圆时，在地面上的发射速度越大，椭圆的轨道就越“扁”（长轴越长），远地点距离地球就越远。如果发射速度继续增大，那么卫星可能脱离地球引力的束缚吗？
教师总结提升：经过科学家的研究和计算，当物体的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球引力束缚，绕着太阳转动，变成一颗人造行星，这个速度我们称为第二宇宙速度。
教师启发学生进一步思考：如果速度进一步增大，物体能否脱离太阳引力的束缚？
教师总结提升：经研究表明，如果发射卫星的速度继续增大，达到16.7km/s时，就会挣脱太阳的引力束缚，运动到太阳系以外的空间中去。我们把这个速度称为第三宇宙速度。
迄今为止，人类已经发射了多颗外太阳系空间探测器，希望能在外太空找到类地文明。其中美国在1977年发射的旅行者1号，上面还携带了一张含有很多人类文明信息的铜制唱片，唱片中含有大量的中国元素：有中国京剧、古曲《高山流水》，还有四种中国方言的问候语。
【学习任务二】宇宙速度的理解
提问1：卫星绕着地球在轨道2做椭圆运动，当运行到图中远地点B时，要使卫星以BO为圆轨道半径绕地球在轨道3做匀速圆周运动，该加速还是减速呢？为什么？
学生思考讨论，并分析得出：通过点火加速可以实现。在远地点B时，由于万有引力大于向心力，卫星将做近心运动，加速后，使得万有引力恰好等于卫星在3轨道上做匀速圆周运动所需的向心力，卫星就在这个轨道上做匀速圆周运动了。
提问2：卫星在半径为r的圆轨道3上做匀速圆周运动，请同学们推导出描述圆周运动的线速度、角速度、周期、向心加速度这几个物理量的表达式。
学生活动：推导表达式并分享交流。
提问3：根据推导结果，请分析卫星做匀速圆周运动的各物理量与轨道半径有什么关系呢？
学生回答：由推导出的表达式可以得到卫星运行的、、及，都与轨道半径r有关，并且半径越大，、、越小，只有越大。
提问4：在轨道3上运动的卫星的速度与第一宇宙速度相比，大小关系如何？并说明为什么？
学生回答：第一宇宙速度大于此时卫星的速度。因为第一宇宙速度对应的卫星的轨道半径是所有卫星中的最小值。
教师总结提升：第一宇宙速度是所有卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大的运行速度，同时又是将卫星发射成功所必备的最小的发射速度，因为发射轨道半径越大的卫星，需要克服万有引力做的功越多，所以在地面需要更大的发射速度。而当卫星在远离地表的过程中，因为要克服万有引力做功，动能要减小，转化为势能，所以到高轨道上做匀速圆周运动的卫星运行速度反而小于低轨道卫星的运行速度。
【学习小结】
1．三个宇宙速度
（1）第一宇宙速度：7.9km/s，是最小的发射速度，最大的运行速度。
（2）第二宇宙速度：11.2km/s，达到第二宇宙速度，将脱离地球引力束缚。
（3）第三宇宙速度：16.7km/s，达到第三宇宙速度，将脱离太阳引力束缚。
2．研究天体运动的基本方法：卫星围绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力。
【学习评价自测】
1．关于第一宇宙速度，下面说法正确的是( )
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度
C．它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．所有卫星的运行速度都大于这个速度
参考答案：BC
2．关于环绕地球运行的人造地球卫星，有如下几种说法，其中正确的是 ( )
A．轨道半径越小，速度越小，周期越长
B．轨道半径越大，速度越大，周期越短
C．轨道半径越大，速度越大，周期越长
D．轨道半径越大，速度越小，周期越长
参考答案：D