5.2 万有引力定律的应用 教案 (4)

§5.2万有引力定律的应用
【教学目标】
知识和技能：
了解人造卫星的发射原理。
会计算第一宇宙速度（人造卫星的环绕速度）。
知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。
过程和方法：
通过相关的实例,了解经典力学发展的伟大成就，体会经典力学创立的价值与意义。
通过预测未知天体的学习活动，体会科学研究方法对人类认识自然的重要作用，体会万有引力定律对人类探索和认识未知世界的作用。
情感态度与价值观：
通过对人类、对太空的探索历程的学习，学习科学家们实事求是、尊重客观事实、不迷信权威、敢于坚持真理、勇于创新和不怕牺牲的科学态度和科学精神。
通过对我国航天事业的发展的了解，进行爱国主义的教育。
【教学重点】
知道人造地球卫星的发射原理，第一宇宙速度的推导和对第一宇宙速度的确切理解。
【教学难点】
人造卫星的环绕速度的计算。
【教学时数】　　１课时
【教学媒体准备】
PPT演示、模拟行星运动（学生自制教具）
【教学过程】：
一、新课引入
前面我们学习了万有引力定律的内容及表达式，也用它来解决了一些问题，比如，利用万有引力定律解释了天体的运动，计算出了中心天体的质量或者密度。
【过渡】
师：牛顿的万有引力定律取得了辉煌的成就，以至于阿波罗8号从月球返回地球的途中，当地面控制中心问到“是谁在驾驶”的时候，指令长这样回答到：“我想现在是牛顿在驾驶。”
师：那么指令长为什么这样回答呢？
生：因为如果没有牛顿，就没有牛顿的万有引力定律，宇宙飞船就无法升空，也就没有了1957年的人类第一颗人造卫星的升空，也就没有了让所有中国人引以自豪和骄傲的神州5号和神州6号的载人航天飞行。
师：通过这一节课，我们将要来学习万有引力定律的另外一些应用。
我们先来研究一下人类是如何把人造卫星、宇宙飞船发射出去，送入太空的？
二、新课教学
（一）人造地球卫星的发射原理
大家知道人造卫星的构想是如何诞生的吗？
师：话说……牛顿被苹果砸到头以后很郁闷，在山上散步的时候顺手抓起地上的石头就往外扔，一次比一次用力，他发现石头的落地点也离自己越来越远。此时伟大的牛顿就思考着这样的一个问题，今天我们大家也来思考一下，“如果速度越来越大，可能会发生什么情况？”
生：可能永远落不回地面上来。
师：如果石头永远也不会落到地面上来，此时石头绕地球将做怎样的运动？
生：圆周运动。
师：太厉害了！你们竟然和伟大的科学家牛顿的想法一样。牛顿也曾经考虑过同样的问题：他认为从高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，速度一次比一次大，那物体的落地点也将一次比一次远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落回地面，它将围绕地球旋转，成为一颗人造地球卫星。
师：这也就是人造地球卫星上天的原理。
【板书】一、人造地球卫星发射原理。
师：现在我们要来思考这么几个问题：
为什么人造卫星不会掉下来？
抛出的初速度要大到什么程度才叫足够大呢？
【迷你实验室】
师：请大家看书本P95内容，模拟卫星运动，感受圆周运动。当你让小球旋转起来时，你的手会有什么感觉？为什么球没有掉下来呢？
（请一两个学生说出他的感受，并说一下原因）
师：那么到底要给以多大的初速度才能够不落回地面而成为一颗人造地球卫星？
（二）宇宙速度
1、第一宇宙速度
师：抛出速度至少为多大,物体才不会落回地面而成为一颗绕地球做圆周运动的人造卫星
已知地球和卫星的质量分别为M和
m，卫星运行的轨道半径为r，请大家推导出人造卫星绕地球运动的线速度表达式？（请学生自行进行推导，并请一位同学上去板书）
生：
卫星运行速度
师：因为近地卫星离地面的高度远小于地球的半径，所以轨道半径约等于地球的半径。已知地球的半径R为m，地球的质量为　kg，G为我们可以算得：。（向学生介绍其中的估算方法）
师：这个速度就是人造地球卫星在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，所以我们把这个速度称为第一宇宙速度，也叫环绕速度。也就是说当以第一宇宙速度抛出一个物体，物体将不落回地面，而成为在地面附近绕地球做匀速圆周运动的一颗人造卫星。换句话，在地面附近以的水平初速度抛出一块石头，它就能以这个速度绕地圆周运动，成为石头卫星。那么，牛顿有没有可能抛出一颗石头卫星？
师：不可能。是个什么概念？
百米赛跑的世界冠军的速度也只有10；超音速飞机的速度也只有三倍音速，第一宇宙速度有倍音速。
【过渡】那么如何获得这么大的初速度？
书本94页介绍俄国科学家的一种设想，利用多级火箭克服地球引力实现上天。这里我们简单介绍一下多级火箭发射卫星上天进入地球轨道的过程：（PPT）
它的构想是把已完成任务的无用部分抛掉，使火箭整体质量减少，获得更大的加速度，使得卫星在短时间内获得更大的速度。现在以三级火箭为例。
（以PPT演示）
由运行速度
从这个关系式中可以看出，运行速度与卫星本身的质量无关，只与轨道半径有关，并知道半径增大，运行速度减少。换句话说，离地心越远的卫星运行速度越小。
【过渡】既然离地面越高的卫星运行速度越小，那么是不是意味着向高轨道发射卫星比向低轨道容易呢？
生：向高轨道发射卫星比较困难。
[乒乓球竖直上抛运动]
师：同样道理，向高轨道发射卫星会比较困难。因为向高轨道发射卫星，必须要克服地球的引力做更多的功，发射中需要更多的能量，所以，向越高的轨道发射卫星，需要的发射速度越大。
【过渡】这里我们必须清楚两个概念：
发射速度、运行速度、是两个不同的速度。
发射速度：
所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，就相当于刚才这个小实验中，乒乓球刚离开手时候的速度。
若发射速度小于第一宇宙速度，卫星将落回地面，只要使人造卫星在距地面较高的轨道上运行，发射速度必须要大于第一宇宙速度。
运行速度：做匀速圆周运动的线速度
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。
轨道半径越小，运行速度越大。当卫星“贴着”地面运行时，运行速度就等于第一宇宙速度。越往外的轨道，速度越小，都小于第一宇宙速度。当贴着地面运行，运行速度就等于第一宇宙速度。
所以，对于第一宇宙速度，我们还有另外几个含义：
在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动所必须的环绕速度。
发射速度大于或等于7.9km/s，就可以成为人造卫星。所以又称为最小发射速度。
由得半径增大，运行速度增大。那么这个贴近的地面运行速度7.9km/s，就应该是人造卫星运行的最大速度。
【过渡】是不是只要发射速度大于7.9km/s，就会成为人造卫星，绕地球运行呢？请大家阅读一下P95迷你实验室的内容。“模拟卫星运动”的第二部分内容。当速度过大，就要挣断绳子，即要挣脱地球引力的束缚。
【板书】2.第二宇宙速度：１１．２ｋｍ/s,脱离速度
通过计算，我们知道人造卫星脱离地球引力束缚所需要的速度为11.2km/s，我们称为第二宇宙速度，也叫脱离速度。
如果运行速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，它将偏离圆形轨道，由于速度没有大于11.2km/s还受到地球引力的束缚，所以将沿椭圆轨道绕地球运行。达到第二宇宙速度的卫星，还受到太阳引力的束缚，是“人造行星”。
【板书】３．第三宇宙速度：,逃逸速度。
当其速度达到16.7km/s时，就可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间，我们称16.7km/s为第三宇宙速度，也称逃逸速度。
(PPT演示轨道和对于的运行速度。)
师：接下来我们也要关心一下描述卫星运动的其他物理量。
不同轨道半径的人造卫星：
可知，半径越大，环绕速度越小，角速度越小，周期越大。
【过渡】有了万有引力定律，我们知道天体运动；有了万有引力定律，人类把卫星、宇宙飞船送上太空。
对于每一科学的定理，它不仅能够说明已知的事物，服务于生产生活实际，还能够用来预测一些未知的事物。正如万有引力定律还能用来预测未知天体。
由学生自行阅读P97的内容以及信息窗的内容，然后以小组为单位对老师提出的问题进行抢答。最终获胜的小组将得到本节课的战利品（学生自制的乒乓球教具）。
【板书设计】
§5-2万有引力定律的应用
一、人造地球卫星发射原理：
二、宇宙速度：
第一宇宙速度：７.９km/s。（最大的运行速度，最小的发射速度。）
环绕速度
第二宇宙速度：１１．２ｋｍ/s,脱离速度。
第三宇宙速度：１６．７ｋｍ/s,逃逸速度。
卫星轨道半径越大，卫星线速度越小，周期越大。
三、预测未知天体
【案例评析】
通过本节课的学习，学生对于航空事业有了进一步的了解，人造天体的运动这一神秘面纱已经解开了。课堂中教师同时鼓励同学努力学习，成为国家的栋梁之才，进行一定的爱国情操教育。
此教学设计不仅注重调动学生自主学习的积极性和主动性，而且注意体现物理学的价值，提高学生理论联系实际、解决实际问题能力，在教与学过程中促进学生科学的价值观和世界观形成。
本设计从一个航空故事引入，设置问题，教师留给学生独立思考的空间和时间，由学生独立回顾已学的万有引力定律的一些应用，有效培养了学生的观察能力和探究问题的能力。在“人造卫星的发射原理”中，结合迷你实验，让学生体验到物理现象就在身边，物理知识不仅有趣，而且还是很有价值的。
对于“第一宇宙速度的推导和对第一宇宙速度的确切理解”，教师侧重引导学生通过数学手段来解决物理问题，给学生以足够的思考空间去讨论天体运动中各物理量之间的变化关系，关注学生的思维习惯的养成。
对于“预测未知天体”，教师注意调动学生的积极，以展开活动的方式让学生自行阅读后抢答问题，很好的完成的教学目标，又激发学生学习的热情。让学生在轻松的环境中接受和学习物理知识，感受物理知识的美。
（让学生自行推导，指导学生得出规律：只由r唯一决定，与卫星本身质量无关。）