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21世纪教育网精品教学课件
武陟一中 张国庆
第六章 万有引力与航天
神舟十号在酒泉卫星发射中心，于2013年6月11日17时38分02.666秒，由长征二号F改进型运载火箭（遥十）“神箭”成功发射。在轨飞行十五天左右，加上发射与返回， 6月13日与天宫一号进行对接，其中停留天宫一号十二天，共搭载三位航天员——聂海胜、张晓光、王亚平。昨天，我们还观摩了三位宇航员精彩的太空授课。
2、石头抛出后会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？石头抛出后不落下来必须具备什么条件？
1、平时抛出石头时，抛出的速度v越大，落地点越远。如果平抛的初速度不断增大，将会出现什么结果？
思考：
物体“发射速度”很大时，就不会落回地面.
牛顿的思考与设想
牛顿设想的人造卫星原理图
牛 顿
人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，它需要的向心力是由谁提供的？设地球和卫星的质量分别为M和m，卫星到地心的距离为r,卫星运动的速度为v，请你用学过的知识推导出卫星在轨道上运动速度v的表达式。若M地=5.98×1024 kg,r＝R地=6.40×106m，并计算出运动速度的大小。
【探究问题一】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？
思路一：由于卫星运动所需的向心力是由万有引力提供的，所以
对于靠近地面的卫星，可以认为此时的r近似等于地球半径R，把r用地球半径R代入，可以求出：
意义：要使所有人造地球卫星发射到地球上空不掉下来,发射的速度不能低于这个速度,不然会由于地球的引力大于所需的向心力而使物体掉下来。
这个速度是所有人造地球卫星的最小发射速度，又是近地卫星的环绕速度！
(若已知地表重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km)
思路二：重力提供物体作圆周运动的向心力
一、宇宙速度
(1)如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；
(2)如果卫星的速度等于第一宇宙速度，卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；
(3)如果卫星的速度大于7.9km/s，而小于某个值，卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦点．
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．
说 明：
1. 第一宇宙速度
v1=7.9 km/s
【探究问题二】
若发射的速度大于v=7.9km/s会出现什么情况呢
意义：以这个速度发射，物体刚好能克服地球的引力作用，永远的离开地球而绕太阳运动
注意：发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹不是圆，而是椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，成为人造行星。
2. 第二宇宙速度
v2=11.2 km/s
意义：以这个速度发射，物体刚好能摆脱太阳引力的束缚而飞到太阳系以外。
注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。
如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
v3=16.7km/s
3. 第三宇宙速度
二、人造卫星的发射速度和运行速度
发射速度与运行速度是两个不同的概念．
(1)发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道．
(2)运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度.
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度
问题:卫星环绕速度、周期Ｔ、角速度ω与轨道半径ｒ（ｒ＝Ｒ＋ｈ）间是何关系？
1、线速率：
2、角速度：
3、周期：
结论：ｒ越大，Ｖ越小、 ω越小、Ｔ越大
【探究问题三】
问题:如图卫星ａ与ｂ哪个的环绕速度大？发射它们时哪个的发射速度大？哪个周期大？
卫星a的发射速度比b的大
结论：卫星a的环绕速度比b的小
卫星a的环绕周期比b的大
【探究问题四】
能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星？
人造卫星在地球表面附近做圆周运动的周期
=84.6min
最小周期
或：
=84
2
. 6min
R
T
v
π
=
【探究问题五】
【探究问题六】
(1)如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？
提示：卫星作圆周运动的向心力必须指向地心
(2)这三条轨道中哪一条轨道中的卫星可能和地球自转同步？
a
b
c
同步卫星
已知地球的半径是6400km，地球自转的周期24h，地球质量5.89×1024kg, 引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg2, 若要发射一颗地球同步卫星，试求： (1)地球同步卫星的离地面高度h. (2)地球同步卫星的环绕速度v.
结论： 地球同步卫星必须发射在赤道正上方的固定高度，并且以固定的速度环绕地球做圆周运动。
（1）在赤道平面内
（2）周期一定T=24h
（3）高度一定360km
【探究问题七】
(3)发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？
(1)将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？
(2)所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？
学生思考：
1957年10月，原苏联发射第一颗人造地球卫星
卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈
梦想成真
几年之后，1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。
火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108分，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
梦想成真
1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗，他在月球上迈出了一小步，确是人类迈出的一大步。
梦想成真
航天飞机资料：可重复使用的用运载火箭发射的飞行器，用于进入地球轨道，在地球与轨道航天器之间运送人员和物资，并滑翔降落于地面。
1984年4月12日，第一架航天飞机哥伦比亚号发射成功。
梦想成真
2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在重返地面的过程中突然发生解体燃烧，航天飞机上的七名宇航员，包括六名美国人及一名以色列人全部遇难。
无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路
梦想成真
1975年，返回式遥感卫星，中国第一颗返回式卫星，用于对地观测，运行三天后按计划返回地面；中国是第三个掌握卫星回收技术的国家。
1970年， “东方红”1号，中国第一颗人造卫星。中国是第五个能自行发射卫星的国家。
中国航天
梦想成真
飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场．这次成功发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础．
1992年，中国载人航天工程正式启动．2003年10月15日9时，我国“神舟”五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送人太空．
梦想成真
2005年10月12日，神舟六号将费俊龙，聂海胜成功的送入太空，是中国第一艘执行“多人多天”任务的载人飞船，也是世界上人类的第243次太空飞行。
神舟七号载人飞船于2008年9月25日21点10分04秒从中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场用长征二号F火箭发射升空，搭载宇航员有翟志刚、刘伯明、景海鹏，首次出舱活动。
神舟八号与天宫一号于2011年11月3日凌晨1时30分时在我国甘肃、陕西上空进行对接。
北京时间2012年6月16日18时37分24秒，载有景海鹏、刘旺、刘洋的神舟九号在甘肃省酒泉卫星发射中心发射升空，分别于6月18日与6月24日与天宫一号进行交会对接，宇航员进入天宫一号生活了10余天，之后飞船于6月29日10时03分在内蒙古顺利着陆。
神舟十号是中国神舟号系列飞船之一，主要由推进舱（服务舱）、返回舱、轨道舱组成。神舟十号在酒泉卫星发射中心“921工位”，于2013年6月11日17时38分02.666秒，由长征二号F改进型运载火箭（遥十）“神箭”成功发射。在轨飞行十五天左右，加上发射与返回，其中停留天宫一号十二天，共搭载三位航天员——聂海胜、张晓光、王亚平。6月13日与天宫一号进行对接
尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……
宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？ ……
爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。
你想加入破解它的行列吗？
梦想成真
航天与人类生活
1、宇宙速度
7.9km/s 11.2km/s 16.7km/s
第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是在轨道上运行的最大速度
2、人造地球卫星
3 、梦想成真
（1）世界的成就
（2）中国的成就
４、航天与人类生活
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“观摩课”作品信息表
河南 省 焦作 市（省辖市） 武陟 （县、区） 项目： 观摩课
作品名称 宇宙航行
学科 物理 教材版本 人教版
学段 □小学组□初中组□高中组 知识点 宇宙航行
年级 高一 册别 □上册□下册
作品内容 本节课主要学习卫星的基本原理及航天科技的相关知识，内容有以下几点：1．第一宇宙速度及其推导，第二宇宙速度、第三宇宙速度，了解三个宇宙速度的意义，以及发射速度与运行速度的区别。2．人造卫星环绕速度、周期、角速度与轨道半径之间的关系。3.世界航天技术及中国航天技术的发展史。4.航天技术在生活中的应用
著作人 主讲人姓名 张国庆 在省资源网用户名
教学指导老师 王海军 录制人员
电子邮箱 联系电话
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《宇宙航行》教学设计
授课人：张国庆
一、教材分析：《宇宙航行》为高中物理人教版必修2第七章的第五节，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个重要实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科学知识的一个极好素材。教材不但介绍了人造卫星中的一些基本理论，更在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律，因此在分析人造卫星的运动学特点和动力学特点可采取类比的方法，从而进一步理解应用万有引力定律分析天体运动的方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强学生的民族自信心和自豪感。
二、教学目标 1、知识与技能（1）知道三个宇宙速度的含义及数值，会推导第一宇宙速度。（2）理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，了解同步卫星的特点。建立起关于各种卫星运行状况的正确图景。2、过程与方法2、过程与方法：在学习牛顿对卫星发射猜想的同时，培养学生科学探索能力，培养学生处理实际问题时，如何构建物理模型的能力。3、情感态度与价值观（1）、通过展示人类航天科技的伟大成就，激发学生学习物理知识的热情；（2）、通过介绍我国在航天事业方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。
三、教学重点（1）第一宇宙速度的推导，了解第二、第三宇宙速度。
四、教学难点卫星运行速率、角速度、周期和轨道半径的关系。
五、教学方法：“问题-探究”教学，启发式教学，多媒体辅助教学。
六、教学思路以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本教案设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具。因此教案设计上采用“问题-探究”法，在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。
教学过程：引入新课教师：仰望星空，浩瀚的宇宙苍穹给人以无限遐想，千百年来，人类一直向往能插上翅膀飞出地球，去探索宇宙的奥秘。随着科技的发展，这一飞天梦想终于变成现实，我国航天员也在飞船舱外的茫茫太空留下了中国人的足迹。播放神舟十号点火发射视频图片：播放王亚平太空授课图片（学生已经观看过其视频）：本节课，我们就来学习人类如何走出地球，飞上宇宙，进行宇宙航行的。新课教学 1、引导学生猜想、提出“牛顿的设想”。教师：我们知道，地球对周围的一切物体都有引力的作用，因此我们抛出的物体会落回地面，在地面抛出一个物体，抛出的速度越大，落地点与抛出点的水平距离越大。 地球可近似看成个球体，如果抛出的速度很大，地面还能看成是水平面吗？学生：不能？应是球面。教师：如果不断增大抛出的速度，可能出现什么现象？牛顿说过“没有大胆的猜测就没有伟大的发现”。在已有事实的基础上，合理外推，科学假设，是认知未知事物的的一种科学方法。那么由以上事实基础，你能作出怎样的猜想呢？学生：思考并回答。教师：同学们今天的想法居然与牛顿当年的想法是一样的，这是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中的卫星发射原理。播放牛顿关于卫星发射原理设想的flash：陈述牛顿的设想：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。如果没有空气阻力，抛出的速度足够大时，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。 将学生猜想与牛顿的设想作对比，作出肯定，让学生体验思考的过程带来的快乐。2、三种宇宙速度教师：从牛顿提出大胆的设想到第一颗人造卫星成功发射，经历了近三百年，为什么呢？因为发射卫星的速度太大了，当时人类的科技水平还不能制造这么高速的物体。那么，最少以多大的速度将物体抛出，它才会绕地球运动不会落下来？ （提示：将卫星绕地球运动近似看成匀速圆周运动）学生自主推导：设地球和人造卫星的质量分别为M和m，卫星到地心的距离为R，卫星的运行速度为V。万有引力提供向心力，则：代入数据得V=7.9km/s教师：这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度，叫第一宇宙速度。它也是发射一个物体，使其成为地球卫星的最小发射速度。若以第一宇宙发射一个物体，它将在贴着地球表面的轨道做匀速圆周运动。那么，如何使物体的速度达到7.9㎞／ｓ呢？利用三级火箭为运载工具使卫星飞出地球是目前普遍采用的、有效的方法，但这种方法已经用了几十年了、危险性大、代价高，有没有更好的方法呢？希望大家今天努力学习，撑握好科学知识，将来发明更安全，更高性能的发射系统，为人类作出更大的贡献。教师提出问题：如果卫星的发射速度比7.9km/s大一点，卫星会怎样运动？学生思考并回答：如果卫星的发射速度比7.9km/s大一点，地球的引力将不足以为其提供做圆周运动的向心力，开始做离心运动。教师补充：同学们回答得不错！如果卫星的发射速度比7.9km/s大一点，地球的引力将不足以为其提供做圆周运动的向心力，先做离心运动，最终绕地球运动的轨迹是椭圆而不是圆，至于轨道为什么是椭圆，将来可结合数学知识证明（介绍近地点、远地点），且卫星做变速率运动，发射速度越大，椭圆越扁。提出问题：如果物体的发射速度继续增大，将会怎样？学生思考交流教师：如果物体的发射速度再大，椭圆更扁，远地点离地球太远，以至地球对物体的引力太小，物体将摆脱地球引力的束缚，离开地球。若物体的发射速度达到或超过11.2km/s时，物体将摆脱地球引力的束缚，离开地球。我们把11.2km/s这个速度称为第二宇宙速度。物体脱离地球引力束缚后，还会受到太阳引力的束缚。如果发射物体的速度更大，达到或超过16.7km/s时，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外宇宙空间，我们把16.7km/s这个速度称为第三宇宙速度。3、卫星运行规律教师：刚才我们讨论了三个宇宙速度，知道如何把卫星送上天了。现在天空中已有许多不同用途的人造卫星，实际上这些卫星并不是贴着地球表面运行的，而是用火箭把卫星送到一定高度的轨道后再绕地球运行的。提出问题：将卫星送入低轨道和高轨道所需的速度哪一个更大？哪一个更容易？为什么？卫星在不同轨道绕地球运动的速度又怎样算？它与卫星的发射速度是同一个速度吗？为简化问题，我们将不同轨道上运行的卫星看成匀速度圆周运动，请同学们用已学的知识探究卫星绕地球运行的速度、周期和轨道半径的关系。学生探究：可得：学生总结，教师适当补充：(1)发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，被发射物体仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运行轨道。运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球运行的线速度。(2)向高轨道发射卫星需要的速度大，将卫星送入轨道越不容易，因向高轨道发射卫星，要克服地球对它的引力做功更多。(3)卫星运动的速度、角速度、周期都与卫星质量无关，仅由轨道半径决定。当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小，运行速度最大，此时发射速度与运行速度相等。故第一宇宙速度既是卫星最小的发射速度也是最大运行速度。4、课堂练习地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空。从地球之外看，卫星与地球共同转动，角速度与地球自转角速度相同，故称地球同步卫星，设地球表面的重力加速度为g，地球半径为R，请大家根据所学知识估算它的轨道高度。5、梦想成真学生阅读并汇报通过网络查阅的人类航天发展史中的主要标志性事件：(1)1957年10月4日晚：苏联成功发射第一颗人造地球卫星(2)1961年4月12日：苏联27岁的宇航员尤里·加加林 乘坐“东方”号宇宙飞船环绕地球一周，成为飞出地球大气层进入外层空间的第一人(3)1969年7月20日：美国“阿波罗”11号上的宇航员奥尔德林、阿姆斯特朗登上月球，人类第一次将足迹留在地球以外的星球上。(4)2003年10月15日9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟”五号载人飞船执行任务的航天员是38岁的杨利伟。(5)2007年10月24日，我国首颗探月卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发射成功。教师介绍我国的探月计划：(1)2004年－2007年 为“绕”的阶段，主要目标是发射“嫦娥一号”探测卫星，对月球进行为期1年的全球性、整体性和综合性探测。这一计划已经成功实现。
(2)2007年－2012年 为“落”的阶段，主要目标是实现月球表面软着陆与月球巡视探测。
(3)2012年－2017年 为“回”的阶段，主要目标是实现月球表面软着陆并采样返回。
只有完成了这三个阶段后，中国才有可能考虑和实施载人登月。随着科学技术的发展，我们的梦想逐渐成真，我们探测太空的脚步会越走越快，越走越远。也许有一天我们也能到其它星球旅游定居。这些梦想的实现有赖以我们今天的努力学习。7、课堂小结本节课我们学习了如何用万有引力定律来研究卫星的运动问题，深化了对万有引力是向心力这一研究天体运动的基本方法的掌握，了解了卫星发射与运行的情况，知道三种宇宙速度的含义。8、布置作业(1)P44问题与练习：1、3(2)阅读教科书上P42的科学漫步“黑洞”及P43中STS“航天事业改变着人类生活”。(3)上网查阅：人造卫星的种类及同步卫星的含义和特点9、板书设计 宇宙航行一、牛顿的设想二、宇宙速度第一宇宙速度：V1=7.9km/s（1、近地卫星的环绕速度；2、卫星的最小发射速度；3、卫星的最大运行速度）第二宇宙速度： V2=11.2km/s，卫星挣脱地球引力束缚所需的发射速度第三宇宙速度： V3=16.7km/s，卫星挣脱太阳引力束缚所需的发射速度三、卫星的运行规律四、梦想成真：了解了人类的航天发展史。
教学反思:本节课能始终以学生为主体精心设计学习活动，充分利用好网络资源创设教学情境，调动学生的学习兴趣，及时把握时机，提问、启发、诱导、点拨，激发鼓励学生积极参与，大胆猜想，合作交流，探索研究，经历体验了牛顿研究人造卫星发射原理相似的“再发现”过程，引导学生自主推导了第一宇宙速度，并了解三种宇宙速度的含义。关于卫星的运动规律也大胆交给学生探讨，在教师的层层设问中，学生自己分析体会人造卫星的运行特点。整节课学生都处于问题情境当中，在协作、会话交流过程中逐个解决需要学习的问题，最终圆满完成教学任务，学生在轻松愉快的氛围中结束课程。但由于教学时间的限制及教学定位的问题，本节课没有就变轨问题进行探讨，有待在后继课程中解决。
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