第三节 飞向太空
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道火箭的原理及组成．
2．了解人类遨游太空的历史．
3．了解空间探测器及探测活动．
4．能理解火箭运行时超重、失重现象，能分析变轨运行问题．(重点、难点)
太 空 探 测
1．人造卫星的发射
要成为地球的人造卫星，发射速度必须达到7.9 km/s，要成为太阳的人造卫星，发射速度必须达到11.2 km/s.
2．发射卫星的火箭
(1)原理：利用燃料燃烧向后急速喷出气体产生的反作用力，使火箭向前射出．
(2)组成：主要有壳体和燃料两部分．
(3)多级火箭：用几个火箭连接而成的火箭组合，一般为三级；火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火”，推动各级火箭一起前进，待燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，并自动脱掉第一级火箭的外壳；火箭进一步加速，以此类推，最终达到所需要的速度．
3．人类航天之旅如下表所示：
时间
国家
活动内容
1957年10月
苏联
发射第一颗人造地球卫星
1961年4月
苏联
第一艘载人宇宙飞船“东方1号”发射成功，苏联宇航员加加林第一次实现了人类踏入太空的梦想
1969年7月
美国
“阿波罗11号”登上月球，将两名宇航员送上了月球，实现了人类在月球上漫步的梦想
1971年4月
苏联
发射“礼炮1号”空间站
1981年4月
美国
“哥伦比亚号”载人航天飞机试验成功
2003年10月
中国
发射“神舟五号”载人飞船，首次载人航天飞行取得圆满成功
2007年10月
中国
“嫦娥一号”探月卫星发射成功，中国首次对月球进行探测
2011年6月
中国
“嫦娥二号”探月卫星飞离月球，飞向150万千米的第2拉格朗日点，进行深空探测
2011年9月
中国
“天宫一号”目标飞行器成功发射，并于2011年11月3日与“神舟八号”飞船对接成功
4.空间探测器
1962年美国的“水手2号”探测器第一次对金星进行了近距离的考察．
1989年美国的“伽俐略号”木星探测器发射成功．
2003年美国的“勇气号”与“机遇号”火星探测器分别发射成功．
1．美国发射的飞船最早将宇航员送上了月球．(√)
2．发射卫星时，火箭离开地球表面时的速度为7.9 km/s.(×)
3．中国发射的卫星已经能够对月球进行探测．(√)
多级火箭当第一级的燃料燃尽后第一级与箭体脱离，第二级开始工作．每一级燃料燃尽后为什么要让它与箭体分离．
【提示】 由牛顿第二定律可知，作用力一定的情况下，质量越小获得的加速度越大，燃料烧尽的部分壳体与箭体分离，使箭体质量减小，因而产生更大的加速度，最终卫星会达到较大的速度．
北京时间2010年4月23日7点52分(美国东部时间2010年4月22日19点52分)，美国研制的人类首架太空战机X－37B成功发射升空，“阿特拉斯5号”火箭执行了此次发射任务．结束太空之旅后，X－37B将进入自动驾驶模式返回地球，最后在加州范登堡空军基地或者附近备用基地——爱德华兹空军基地着陆．
探讨1：多大的速度才能使物体不再落回地面，而使其成为绕地球运动的一颗“星”呢？
【提示】 速度达到7.9 km/s.
探讨2：多大的速度才能使物体成为绕太阳运动的一颗“星”．
【提示】 速度达到11.2 km/s.
1．人造卫星
人造卫星要进入飞行轨道必须有足够大的速度．速度达到7.9 km/s可进入绕地球飞行的轨道，成为人造地球卫星；速度达到11.2 km/s可成为太阳的“人造行星”．
2．三级火箭
(1)一级火箭最终速度达不到发射人造卫星所需要的速度，发射卫星要用多级火箭．
(2)三级火箭的工作过程(如图3-3-1所示)火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火”，燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，并自动脱掉第一级火箭的外壳，以此类推…
火箭发射卫星示意图
图3-3-1
由于各级火箭的连接部位需大量附属设备，这些附属设备具有一定的质量，并且级数越多，连接部位的附属设备质量越大，并且所需的技术要求也相当精密，因此，火箭的级数并不是越多越好，一般用三级火箭．
1．若地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其实际绕行速率( )
A．一定等于7.9 km/s
B．一定小于7.9 km/s
C．一定大于7.9 km/s
D．介于7.9－11.2 km/s之间
【解析】 设地球的质量为M，卫星的质量为m，地球的半径为R，卫星的轨道半径为r，速率为v，地球的第一宇宙速度为v1，
则有G＝m，得v＝，
当r＝R时，v＝v1＝＝7.9×103m/s.
而实际中卫星的轨道r>R，则v【答案】 B
2．如图3-3-2所示，火箭内的实验平台上有质量为18 kg的测试仪器，火箭从地面起飞后，以加速度a＝竖直匀加速上升，g取10 m/s2，试求：
图3-3-2
(1)火箭刚启动时，测试仪器对实验平台的压力是多大；
(2)火箭升至距地面的高度为地球半径的一半，即h＝时，测试仪器对实验平台的压力又是多大．
【解析】 (1)火箭启动时，设仪器受平台的支持力为F，由牛顿第二定律得F－mg＝ma代入数据得F＝270 N，由牛顿第三定律知，测试仪器对平台的压力是270 N；
(2)设高h处的重力加速度为g′，
＝＝＝，所以g′＝g
对仪器由牛顿第二定律得F′－mg′＝ma
F′＝m(g′＋a)代入数据得F′＝170 N
由牛顿第三定律知，测试仪器对平台的压力是170 N.
【答案】 (1)270 N (2)170 N
火箭通过喷出高速气体，使火箭与气体之间发生相互作用获得升力而加速上升，由牛顿定律可求出相关物理量.
卫星(宇宙飞船)的变轨问题
探讨1：正常运动的卫星要使其轨道半径变大，应该怎么办？
【提示】 需开动发动机使卫星加速．
探讨2：正常运行的卫星要使轨道半径变小，应该怎么办？
【提示】 需开动发动机使卫星减速．
卫星(宇宙飞船)在运行过程中，中心天体对卫星(宇宙飞船)的万有引力充当向心力．
1．当万有引力恰好提供向心力时，卫星(宇宙飞船)在原轨道上运动．
2．若卫星(或宇宙飞船)通过自身发动机加速后，所需向心力增大，万有引力小于所需要向心力，卫星(宇宙飞船)做远离中心天体的运动．
3．若卫星(或宇宙飞船)减速时，所需向心力变小，即万有引力大于所需要向心力时，卫星(宇宙飞船)做靠近中心天体的运动．
3．2016年3月30日4时22分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将第22颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道，之后该卫星需从轨道Ⅰ转移到轨道Ⅱ，定点在同步轨道Ⅱ上如图3-3-3所示，关于该过程，下列说法正确的是( )
图3-3-3
A．卫星需从轨道Ⅰ上的P点适当加速
B．卫星可以从轨道Ⅰ上除Q外的任意点适当加速
C．卫星需从轨道Ⅰ上的Q点适当加速
D．卫星需从轨道Ⅰ上的Q点适当减速
【解析】 卫星若从轨道Ⅰ上的P点(或除Q外的任意点)加速，只能改变其椭圆轨道，不可能进入轨道Ⅱ，A、B错误；若卫星从轨道Ⅰ上的Q点适当加速，当满足G＝时，可由轨道Ⅰ转移到轨道Ⅱ，C正确，D错误．
【答案】 C
4．(多选)我国未来将建立月球基地，并在绕月轨道上建造空间站，如图3-3-4所示，关闭发动机的航天飞机在月球引力作用下沿椭圆轨道向月球靠近，并将在椭圆的近月点B处与空间站对接．已知空间站绕月运行的轨道半径为r，周期为T，万有引力常量为G，月球的半径为R.下列描述或结论正确的是( )
图3-3-4
A．航天飞机到达B处由椭圆轨道进入空间站轨道时必须减速
B．图中的航天飞机正在加速地飞向B处
C．月球的质量为M＝
D．月球的第一宇宙速度为v＝
【解析】 由椭圆轨道进入空间站轨道必须减速，A正确．航天飞机由A飞向B是加速运动的，B正确．月球质量M＝，C错误．月球第一宇宙速度v>，D错误．
【答案】 AB
5. (多选)发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运动，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图3-3-5所示．当卫星分别在1、2、3轨道上正常运动时，以下说法正确的是( )
图3-3-5
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大小大于它在轨道2上经过Q点时的加速度大小
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度大小等于它在轨道3上经过P点时的加速度大小
【解析】 由G＝m，得v＝，因为r3＞r1，所以v3＜v1，A错误；由G＝mrω2，得ω＝，因为r3＞r1，所以ω3＜ω1，B正确；卫星在轨道1上经过Q点时的加速度为地球引力产生的，在轨道2上经过Q点时，也只有地球引力产生加速度，故两者大小应相等，C错误；同理，卫星在轨道2上经过P点时的加速度大小等于它在轨道3上经过P点时的加速度大小，D正确．
【答案】 BD
卫星变轨问题的分析技巧
(1)根据引力与需要的向心力的关系分析：
①当卫星绕天体做匀速圆周运动时，万有引力提供向心力，由G＝m，得v＝，由此可见轨道半径r越大，线速度v越小．
②当由于某原因速度v突然改变时，若速度v减小，则F＞m，卫星将做近心运动，轨迹为椭圆；若速度v增大，则F＜m，卫星将做离心运动，轨迹为椭圆，此时可用开普勒三定律分析其运动．
(2)卫星到达椭圆轨道与圆轨道的切点时，卫星受到的万有引力相同，所以加速度相同．
教学内容
第三章3节
主题
飞向太空
第1课时
教学目标
知 识
与技能
（1）了解火箭的基本原理和发射过程
（2）了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献
（3）了解人类在航天技术领域取得的伟大成就
（4）通过实例分析，进一步掌握万有引力定律的应用
过 程
与方法
（1）通过观察实验，了解火箭发射原理
（2）认识火箭的演变过程
（3）了解多级火箭的发射过程。
（4）通过观察图片和录像，了解人类对太空的探索
情感态度与价值观
（1）体会理论对实践的巨大指导作用。
（2）体会航天事业对人类所产生的影响。
（3）认识太空探险是一项光荣而危险的任务
（4）通过观看录像，激发爱国之情和为祖国的科学事业作贡献的决心。
教
材
分
析
重点
通过实例分析，进一步掌握万有引力定律的应用
难点
通过实例分析，进一步掌握万有引力定律的应用
学情分析
学生在平时看电视等媒介过程中对航天知识有一定的了解，教师引导学生从物理知识的应用角度分析有关现象，
教学流程
教师活动安排
学生活动安排
设 计 意 图
时间
内 容
时间
内 容
1
提出问题
2
回答问题
巩固万有引力定律的应用
1
展示学习目标
1
阅读学习目标
学习有个方向性
1
播放录像
6
观看录像
从画面中了解航天知识
1
提出问题
6
讨论解决问题
分析火箭的基本原理和发射过程
3
引导、点拨
8
课堂训练
通过实例分析，进一步掌握万有引力定律的应用
2
课堂小结
5
学生自我学习总结
再现学习内容
精
讲
点
拨
新课教学
一、展示学习目标：
（1）了解火箭的基本原理
（2）了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献
（3）了解人类在航天技术领域取得的伟大成就
（4）通过实例分析，进一步掌握万有引力定律的应用
二、目标完成过程：
1、火箭的基本原理：
火箭是利用自身携带的燃料燃烧向后急速喷出的气体产生的反作用力，推动火箭前进，使火箭发射升空的
2、火箭将人造卫星发射到预定轨道的工作过程：
在现代技术条件下，一级火箭的最终速度还达不到发射人造卫星所需要的速度，发射卫星要用多级火箭，一般用三级，火箭起飞时，第一级火箭的发动机“点火”，推动各级火箭一起前进，当这一级的燃料燃尽后，第二级火箭开始工作，并自动脱掉第一级火箭的外壳，第二级火箭在第一级火箭基础上进一步加速，以此类推，最终达到所需要的速度。
3、课堂小结：
火箭的基本原理和火箭将人造卫星发射到预定轨道的工作过程？万有引力定律的应用题的思路？
课堂达标
1、1961年4月12日，“东方一号”宇宙飞船载着前苏联宇航员尤里·加加林绕地球一周后顺利返回，这次太空之旅历时108min，总航程达40000km，下列判断正确的是：
A、飞船在轨道上运动的速率大于7.9km/s
B、飞船在轨道上运动的速率小于7.9km/s
C、飞船轨道离地面的高度接近地球半径
D、飞船轨道离地面的高度远小于地球半径
2、2003年10月15日，“神舟五号”发射成功，10月16日顺利返回，历时21h，在这21h内，杨利伟饱尝了超重与失重的滋味，下列说法中正确的是：
A、飞船加速上升的过程，杨利伟处于超重状态
B、飞船在轨道上运行时，杨利伟处于失重状态
C、飞船返回，与大气层剧烈摩擦时，杨利伟处于失重状态
D、飞船返回，与大气层剧烈摩擦时，杨利伟处于超重状态
3．宇宙飞船进入一个围绕太阳运行的近乎圆形的轨道上运动，如果轨道半径是地球轨道半径的9倍，则宇宙飞船绕太阳运行的周期是（ ）
（A）3年 （B）9年 （C）27年 （D）81年
板书设计
第三节 飞向太空
1、飞向太空的桥梁——火箭
（1）火箭的基本原理
（2）火箭将人造卫星发射到预定轨道的工作过程：
2、万有引力定律的应用题
教学后记
本课时也属于万有引力定律的应用课，尤其是三级火箭的工作过程需要再寻找视频来生动讲解。
课件32张PPT。知识点一知识点二学业分层测评太 空 探 测7.911.2反作用力三级一起前进外壳东方1号加加林踏入太空阿波罗月球月球上漫步哥伦比亚号神舟五号载人航天飞行水手2号伽俐略号勇气号机遇号卫星(宇宙飞船)的变轨问题
