人教版物理高中必修二-6-5-宇宙航行-教学设计
文档属性
| 名称 | 人教版物理高中必修二-6-5-宇宙航行-教学设计 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 50.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-03-30 15:59:18 | ||
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文档简介
6.5宇宙航行
【教材分析】
本节在圆周运动及万有引力的基础上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，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。
【学情分析】
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。
【教学目标】
1. 了解牛顿对于人造卫星的猜想
2. 会分析人造地球卫星的受力、运动情况
3. 知道三个宇宙速度的含义和数值，掌握从近地卫星推算得到第一宇宙速度的过程
【重点、难点】
重点：人造地球卫星的受力、运动情况分析
难点：卫星发射速度与环绕速度的辨别
【教学过程】
师：同学们好，前面几节课中我们学习了万有引力的相关知识，今天我们要学习的这一节内容就是要运用它来解决匀速圆周运动的一些问题。宇宙航行，从很早之前人类就有探索宇宙的欲望，我们的先辈们也在不断地努力尝试。而真正的太空时代开启于1957年苏联发射第一颗人造卫星斯普特尼克1号。这个是1970年我们中国发射的东方红一号。我们说这些人造卫星开启了我们的太空时代，迈出了宇宙航行的第一步，那人造卫星的构想从何而来呢？
//从人类探索宇宙的具体事例进行新课导入（2min）
师：最早提出人造卫星这一构想的是我们伟大的科学家牛顿。他在思考万有引力定律的时候就有这样一个猜想。从高山上水平抛出一个物体，速度一次比一次大，根据平抛运动的知识可以知道落点会一次比一次远。如果速度足够大，物体就应该不再落回地面，而绕地球做圆周运动。大家来分析一下这里物体做圆周运动的时候受力情况。
生：仅受到一个万有引力
师：方向呢？
生：地心与物体的连线上
师：人造地球卫星在绕地球做匀速圆周运动的时候仅受到一个指向地心的万有引力，这种情况下对于卫星的轨道有什么要求？我们请同学来判断一下下面这几种轨道能否成为人造地球卫星的轨道（PPT展示）
生：(判断)
师：（追问为什么轨道D不行）请你总结一下人造地球卫星的轨道特点。
生：过地心
师：总结的很好。这边是几种卫星的轨道大家可以看一下。（PPT展示）
//介绍牛顿对于人造地球卫星的猜想，引导学生分析人造卫星受力、轨道情况（3min）
师:人造卫星的轨道有那么多种不同的情况，而从1957年至今已经有将近60年的时间了，人造卫星也成为发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。那么研究这些人造地球卫星的运行情况就变成了探索宇宙必不可少的一部分。这里，我们先来看一个特殊的例子——近地卫星。近地卫星，顾名思义就是离地表很近的一种卫星，它的轨道半径r可以近似等于R（板书）我们就一起来分析一下它的运动情况。首先是线速度v（板书）我们说人造卫星由万有引力提供向心力，那我们把万有引力以及圆周运动中关于线速度的公式连列，就得到
带入我们上节课求得的地球质量以及引力常数、地球半径就可以求得
（副板书）相同的可以得到 =1.2×10-3rad/s
周期 =5093.7s
//分析近地卫星的运动情况（10min）
师：大家掌握运用万有引力提供向心力分析近地卫星的运动情况的方法了么？
生：掌握了
师：很好，那现在我们就让大家自己动手来求解一个类似的问题。是关于地球的同步卫星。（PPT展示题目）
生：（动笔计算）
师：算好了么？(请同学回答计算结果)我们一起分析了两种比较特殊的例子，从这里我们似乎可以得到轨道半径越大卫星的绕行速度越小，那么这种猜测是否正确呢？我们说物理是严谨的，需要进一步分析一下一般的卫星来验证一下这一猜想吧。设地球质量为M，半径为R。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速度v的表达式
从这个表达式我们可以得到与刚刚猜想一致的结论：轨道半径越大卫星的绕行速度越小。所以近地卫星的环绕速度比其他卫星都要大，它具有最大的环绕速度。卫星线速度与轨道间的关系我们已经基本确定了。那么角速度和周期呢？它们和轨道半径有一个什么样的关系呢？大家思考一下。
生：（用类似方法得出轨道半径越大角速度越小周期越大的结论）
//让学生求同步卫星轨道、绕行速度、角速度巩固通过万有引力公式结合圆周运动公式解题的方法（12min）
师：讲到的线速度都是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。我们发射一颗人造卫星需要给它一个初速度，这个初速度与运行速度应该是不同的概念吧。这里，我们就来辨析一下这两种速度。我们把离开发射装置时的初速度叫做发射速度。把卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度叫做运行速度。近地卫星的发射速度近似等于运行速度，其它卫星的发射速度应该大于运行速度。原因是什么？
生：思考
师：刚刚将到运行速度有最大值，是近地卫星的运行速度最大。同时我们说近地卫星需要的发射速度也应该是卫星发射的最小值。刚刚分析了近地卫星的运行速度是最大值的原因，应该很好理解。现在来说一下为什么卫星的最小发射速度也出现在近地卫星上。刚刚xxx同学以及分析了卫星在发射过程中速度会不断减小，那么高空轨道的卫星在进入遇到轨道之前都是要经过近地卫星的轨道的它的发射速度只有比近地卫星的发射速度大才能够继续上升吧。所以近地卫星的发射速度是发射卫星的最小速度。我们定义这个最小发射速度7.9km/s为第一宇宙速度。现在我们来看一下课本41页介绍的第二、第三宇宙速度。当发射速度大于7.9km/s小于11.2km/s的时候物体将绕地球做椭圆运动，而当速度达到11.2km/s的时候物体就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受太阳的引力，在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，必须使它的速度等于或大于16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。
//定义区分发射速度及环绕速度，介绍三种宇宙速度的定义及数值（7min）
师：好，这节课的内容就讲到这里，现在我们来总结一下。首先我们介绍了牛顿对于人造卫星的构想，根据他的构想研究了人造卫星的受力情况和轨道情况。然后我们分析了近地卫星和同步卫星两个特殊的人造地球卫星的运动情况，这是我们这节课的重点，大家要掌握运用万有引力提供向心力来解决匀速圆周运动的方法。通过对这两者的对比得出轨道越大线速度越小角速度越小周期越大的猜想。之后我们通过一般卫星来验证了我们的猜想，我们说这一步很重要，因为物理是一门严谨的学科，任何规律的得出都需要经过大量的事实验证。最后我们区分了发射速度以及环绕速度并定义了几个宇宙速度。发射速度和环绕速度是这节课的难点，要能够区分这两者，而几个宇宙速度知道数值以及定义就可以了。
//小结（2min）
【板书】
宇宙航行
1、 人造地球卫星
F向= 轨道中心：地心
2、 近地卫星 同步卫星
轨道半径 6.40×106m 4.23×107m
线速度 7.9km/s 3.08km/s
角速度 1.2×10-3rad/s 7.27×10-5rad/s
周期 5093.7s 86400s（24h）
r↗ v↘ ω↘ T↗
【教学反思】
1. 分析同步卫星运行情况的时候让学生计算的时间可以缩减，当学生误认为近地卫星的角速度等于地球角速度等于同步卫星角速度时应该及时地指出区别。
2. 同步卫星的分析可以进一步深入，讲解同步卫星的轨道必须在赤道上方、三颗同步卫星实现全球监测等内容，让学生对于同步卫星的运行有进一步的了解。
3. 从第一宇宙速度过渡到第二宇宙速度时可以分析一下，速度达到7.9km/s之后继续增大速度，那么此时万有引力就不足以提供向心力，根据匀速圆周运动中的知识可以知道物体将做离心运动，这时就变成了椭圆轨道。同时可以举一个事例让学生感受一下三个宇宙速度到底有多大。
【教材分析】
本节在圆周运动及万有引力的基础上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，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。
【学情分析】
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。
【教学目标】
1. 了解牛顿对于人造卫星的猜想
2. 会分析人造地球卫星的受力、运动情况
3. 知道三个宇宙速度的含义和数值，掌握从近地卫星推算得到第一宇宙速度的过程
【重点、难点】
重点：人造地球卫星的受力、运动情况分析
难点：卫星发射速度与环绕速度的辨别
【教学过程】
师：同学们好，前面几节课中我们学习了万有引力的相关知识，今天我们要学习的这一节内容就是要运用它来解决匀速圆周运动的一些问题。宇宙航行，从很早之前人类就有探索宇宙的欲望，我们的先辈们也在不断地努力尝试。而真正的太空时代开启于1957年苏联发射第一颗人造卫星斯普特尼克1号。这个是1970年我们中国发射的东方红一号。我们说这些人造卫星开启了我们的太空时代，迈出了宇宙航行的第一步，那人造卫星的构想从何而来呢？
//从人类探索宇宙的具体事例进行新课导入（2min）
师：最早提出人造卫星这一构想的是我们伟大的科学家牛顿。他在思考万有引力定律的时候就有这样一个猜想。从高山上水平抛出一个物体，速度一次比一次大，根据平抛运动的知识可以知道落点会一次比一次远。如果速度足够大，物体就应该不再落回地面，而绕地球做圆周运动。大家来分析一下这里物体做圆周运动的时候受力情况。
生：仅受到一个万有引力
师：方向呢？
生：地心与物体的连线上
师：人造地球卫星在绕地球做匀速圆周运动的时候仅受到一个指向地心的万有引力，这种情况下对于卫星的轨道有什么要求？我们请同学来判断一下下面这几种轨道能否成为人造地球卫星的轨道（PPT展示）
生：(判断)
师：（追问为什么轨道D不行）请你总结一下人造地球卫星的轨道特点。
生：过地心
师：总结的很好。这边是几种卫星的轨道大家可以看一下。（PPT展示）
//介绍牛顿对于人造地球卫星的猜想，引导学生分析人造卫星受力、轨道情况（3min）
师:人造卫星的轨道有那么多种不同的情况，而从1957年至今已经有将近60年的时间了，人造卫星也成为发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。那么研究这些人造地球卫星的运行情况就变成了探索宇宙必不可少的一部分。这里，我们先来看一个特殊的例子——近地卫星。近地卫星，顾名思义就是离地表很近的一种卫星，它的轨道半径r可以近似等于R（板书）我们就一起来分析一下它的运动情况。首先是线速度v（板书）我们说人造卫星由万有引力提供向心力，那我们把万有引力以及圆周运动中关于线速度的公式连列，就得到
带入我们上节课求得的地球质量以及引力常数、地球半径就可以求得
（副板书）相同的可以得到 =1.2×10-3rad/s
周期 =5093.7s
//分析近地卫星的运动情况（10min）
师：大家掌握运用万有引力提供向心力分析近地卫星的运动情况的方法了么？
生：掌握了
师：很好，那现在我们就让大家自己动手来求解一个类似的问题。是关于地球的同步卫星。（PPT展示题目）
生：（动笔计算）
师：算好了么？(请同学回答计算结果)我们一起分析了两种比较特殊的例子，从这里我们似乎可以得到轨道半径越大卫星的绕行速度越小，那么这种猜测是否正确呢？我们说物理是严谨的，需要进一步分析一下一般的卫星来验证一下这一猜想吧。设地球质量为M，半径为R。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速度v的表达式
从这个表达式我们可以得到与刚刚猜想一致的结论：轨道半径越大卫星的绕行速度越小。所以近地卫星的环绕速度比其他卫星都要大，它具有最大的环绕速度。卫星线速度与轨道间的关系我们已经基本确定了。那么角速度和周期呢？它们和轨道半径有一个什么样的关系呢？大家思考一下。
生：（用类似方法得出轨道半径越大角速度越小周期越大的结论）
//让学生求同步卫星轨道、绕行速度、角速度巩固通过万有引力公式结合圆周运动公式解题的方法（12min）
师：讲到的线速度都是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。我们发射一颗人造卫星需要给它一个初速度，这个初速度与运行速度应该是不同的概念吧。这里，我们就来辨析一下这两种速度。我们把离开发射装置时的初速度叫做发射速度。把卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度叫做运行速度。近地卫星的发射速度近似等于运行速度，其它卫星的发射速度应该大于运行速度。原因是什么？
生：思考
师：刚刚将到运行速度有最大值，是近地卫星的运行速度最大。同时我们说近地卫星需要的发射速度也应该是卫星发射的最小值。刚刚分析了近地卫星的运行速度是最大值的原因，应该很好理解。现在来说一下为什么卫星的最小发射速度也出现在近地卫星上。刚刚xxx同学以及分析了卫星在发射过程中速度会不断减小，那么高空轨道的卫星在进入遇到轨道之前都是要经过近地卫星的轨道的它的发射速度只有比近地卫星的发射速度大才能够继续上升吧。所以近地卫星的发射速度是发射卫星的最小速度。我们定义这个最小发射速度7.9km/s为第一宇宙速度。现在我们来看一下课本41页介绍的第二、第三宇宙速度。当发射速度大于7.9km/s小于11.2km/s的时候物体将绕地球做椭圆运动，而当速度达到11.2km/s的时候物体就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度。达到第二宇宙速度的物体还受太阳的引力，在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，必须使它的速度等于或大于16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。
//定义区分发射速度及环绕速度，介绍三种宇宙速度的定义及数值（7min）
师：好，这节课的内容就讲到这里，现在我们来总结一下。首先我们介绍了牛顿对于人造卫星的构想，根据他的构想研究了人造卫星的受力情况和轨道情况。然后我们分析了近地卫星和同步卫星两个特殊的人造地球卫星的运动情况，这是我们这节课的重点，大家要掌握运用万有引力提供向心力来解决匀速圆周运动的方法。通过对这两者的对比得出轨道越大线速度越小角速度越小周期越大的猜想。之后我们通过一般卫星来验证了我们的猜想，我们说这一步很重要，因为物理是一门严谨的学科，任何规律的得出都需要经过大量的事实验证。最后我们区分了发射速度以及环绕速度并定义了几个宇宙速度。发射速度和环绕速度是这节课的难点，要能够区分这两者，而几个宇宙速度知道数值以及定义就可以了。
//小结（2min）
【板书】
宇宙航行
1、 人造地球卫星
F向= 轨道中心：地心
2、 近地卫星 同步卫星
轨道半径 6.40×106m 4.23×107m
线速度 7.9km/s 3.08km/s
角速度 1.2×10-3rad/s 7.27×10-5rad/s
周期 5093.7s 86400s（24h）
r↗ v↘ ω↘ T↗
【教学反思】
1. 分析同步卫星运行情况的时候让学生计算的时间可以缩减，当学生误认为近地卫星的角速度等于地球角速度等于同步卫星角速度时应该及时地指出区别。
2. 同步卫星的分析可以进一步深入，讲解同步卫星的轨道必须在赤道上方、三颗同步卫星实现全球监测等内容，让学生对于同步卫星的运行有进一步的了解。
3. 从第一宇宙速度过渡到第二宇宙速度时可以分析一下，速度达到7.9km/s之后继续增大速度，那么此时万有引力就不足以提供向心力，根据匀速圆周运动中的知识可以知道物体将做离心运动，这时就变成了椭圆轨道。同时可以举一个事例让学生感受一下三个宇宙速度到底有多大。