人教部物理必修二 6.5 宇宙航行 教学设计
文档属性
| 名称 | 人教部物理必修二 6.5 宇宙航行 教学设计 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 366.8KB | ||
| 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 | 2020-08-25 14:38:46 | ||
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文档简介
宇宙航行
宇宙航行不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。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天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。
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。
本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技知识的一个极好素材。
本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法，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。
（1）宇宙速度
教学中需要说明的是，第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面，但是，在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中，第一宇宙速度是最大的环绕速度，因为，r越大，v越小，轨道半径的最小值为地球半径，对应的环绕速度为最大值，即第一宇宙速度。
关于第二宇宙速度和第三宇宙速度，让学生了解它们的物理含义，不作定量的计算，以此拓展学生想像和思考的空间，问题留给学生，对此有兴趣的同学可以在课余时间研究。
另外，结合前面学过的匀速圆周运动的知识，还可以适当补充对于人造地球卫星运行周期T、向心加速度、线速度、角速度等的讨论，并强调跟轨道的一一对应关系。
（2）梦想成真
教材简述了人类航天事业的发展史，特别例举了成功发射的人造地球卫星的几个实例，在这部分内容里，建议教师结合前面的理论分析，带领学生对于实例中的卫星进行一些定量的计算，比如：“1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。”可以问学生：这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星运行的角速度多大？既巩固了匀速圆周运动运动学和动力学知识在人造卫星问题方面的实际运用，还增加学生对于这类问题的兴趣。在“问题与练习”中，就2003年我国成功发射的神舟5号宇宙飞船有类似的计算。这节内容，既介绍了航天成就，又谈到人类为此付出的代价。全文最后说：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。以激励
1．地球同步卫星的特点
【例题】已知地球半径R＝6400km，运转周期T＝24h＝24×3600s，地球质量M＝5.98×1024kg，求同步卫星的轨道高度h？
解析：同步卫星作匀速圆周运动所需的向心力同万有引力提供，根据向心力公式有：
代入数值解得：h＝3.6×107m。
（说明：可以用GM＝R2g来计算）
【巩固练习】
①所有地球同步卫星的线速度v、轨道半径r（距地面高度h）、周期T、角速度ω等是否相同？
②用m表示同步卫星的质量，h表示它离地面的高度，R0表示地球半径，g0表示地球表面的重力加速度，ω0表示地球自转角速度，则同步卫星所受地球对它的万有引力大小是
A．mω0R0
B．mR20g0/(R0＋h)2
C．
D．mω20(R0＋h)
答案：BCD
（用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料，使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就）
2．地球同步卫星的
“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。
——齐奥尔科夫斯基
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6
kg，每96min绕地球飞行一圈。
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。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108
min，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。
1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月19日，飞船进入月球轨道。7月20日，指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母船分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”
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入太空。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。这次成功的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入航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
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？
【课堂练习】
①关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（ BC ）
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．它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度
②在环绕地球运行的飞船实验舱内，下面几项实验中可以正常进行的是（ CD ）
A．用天平称物体的质量
B．同弹簧秤称物体的重力
C．上紧闹钟上的发条
D．用体温表测宇航员的体温
③关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是（ AB ）
A．如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量
B．两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期就一定是相同的
C．原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可
D．一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小
④飞船沿半径为r的圆周绕地球运动，其周期为T，如果飞船要返回地面，可在轨道某一点A将速率降低适当数值，从而使飞船沿经地心焦点的椭圆轨道运行，椭圆与地球表面在B点相切，如图所示，已知地球半径为R。试求：飞船由A点到B点所需的时间。
⑤在天体运动中，把两颗相距较近的恒星称为双星，已知A、B两恒星质量分别为M1和M2，两恒星相距为L，两恒星分别绕共同的圆心做圆周运动，如图，求两恒星的轨道半径和角速度大小。
⑥如图所示，A、B两颗行星绕同一颗恒星作匀速圆周运动，运转方向相同，A的周期为T1，B的周期为T2，在某一时刻，两行星相遇（即两行星相距最近），则：
A．经过一段时间t＝T1＋T2两行星再次相遇
B．经过一段时间两行星再次相遇
C．经过一段时间两行星再次相遇
D．经过一段时间两行星相距最远
⑦有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径之比r1∶r2＝4∶1，求：（1）这颗卫星的线速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比？
［小结］
通过本节课的学习，我们学习了绕地球飞行的卫星情况，了解了描述卫星的物理量的特点。知道了第一宇宙速度（环绕速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脱离速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。要区分卫星的发射速度与卫星进入轨道后的环绕速度。
［布置作业］
教材第44页“问题与练习”。
板书设计
5．宇宙航行
一、人造地球卫星
1．牛顿的设想
2．人造地球卫星
（1）人造地球卫星
从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。
（2）人造地球卫星必须满足的条件
地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。
（3）描述卫星运动的物理量
①卫星的向心加速度
，r↑→a↓。
②卫星运动的角速度
，r↑→ω↓。
③卫星运动的线速度
，r↑→v↓。
④卫星运动的周期
，r↑→T↑。
二、宇宙速度
1．第一宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first
cosmetic
velocity），也叫做地面附近的环绕速度。
对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则
＝7.9km/s
（谐音“吃点酒”）
2．第二宇宙速度
从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。
＝11.2
km/s
3．第三宇宙速度
从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。
v3＝16.7km/s
三、同步卫星简介
1．地球同步卫星的特点
（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。
（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。
2．地球同步卫星的“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真
1
宇宙航行不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。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天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。
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。
本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技知识的一个极好素材。
本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法，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。
（1）宇宙速度
教学中需要说明的是，第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面，但是，在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中，第一宇宙速度是最大的环绕速度，因为，r越大，v越小，轨道半径的最小值为地球半径，对应的环绕速度为最大值，即第一宇宙速度。
关于第二宇宙速度和第三宇宙速度，让学生了解它们的物理含义，不作定量的计算，以此拓展学生想像和思考的空间，问题留给学生，对此有兴趣的同学可以在课余时间研究。
另外，结合前面学过的匀速圆周运动的知识，还可以适当补充对于人造地球卫星运行周期T、向心加速度、线速度、角速度等的讨论，并强调跟轨道的一一对应关系。
（2）梦想成真
教材简述了人类航天事业的发展史，特别例举了成功发射的人造地球卫星的几个实例，在这部分内容里，建议教师结合前面的理论分析，带领学生对于实例中的卫星进行一些定量的计算，比如：“1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。”可以问学生：这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星运行的角速度多大？既巩固了匀速圆周运动运动学和动力学知识在人造卫星问题方面的实际运用，还增加学生对于这类问题的兴趣。在“问题与练习”中，就2003年我国成功发射的神舟5号宇宙飞船有类似的计算。这节内容，既介绍了航天成就，又谈到人类为此付出的代价。全文最后说：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。以激励
1．地球同步卫星的特点
【例题】已知地球半径R＝6400km，运转周期T＝24h＝24×3600s，地球质量M＝5.98×1024kg，求同步卫星的轨道高度h？
解析：同步卫星作匀速圆周运动所需的向心力同万有引力提供，根据向心力公式有：
代入数值解得：h＝3.6×107m。
（说明：可以用GM＝R2g来计算）
【巩固练习】
①所有地球同步卫星的线速度v、轨道半径r（距地面高度h）、周期T、角速度ω等是否相同？
②用m表示同步卫星的质量，h表示它离地面的高度，R0表示地球半径，g0表示地球表面的重力加速度，ω0表示地球自转角速度，则同步卫星所受地球对它的万有引力大小是
A．mω0R0
B．mR20g0/(R0＋h)2
C．
D．mω20(R0＋h)
答案：BCD
（用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料，使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就）
2．地球同步卫星的
“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。
——齐奥尔科夫斯基
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6
kg，每96min绕地球飞行一圈。
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。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108
min，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。
1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月19日，飞船进入月球轨道。7月20日，指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母船分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”
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入太空。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。这次成功的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入航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
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？
【课堂练习】
①关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（ BC ）
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．它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度
D．它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度
②在环绕地球运行的飞船实验舱内，下面几项实验中可以正常进行的是（ CD ）
A．用天平称物体的质量
B．同弹簧秤称物体的重力
C．上紧闹钟上的发条
D．用体温表测宇航员的体温
③关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是（ AB ）
A．如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量
B．两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期就一定是相同的
C．原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可
D．一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小
④飞船沿半径为r的圆周绕地球运动，其周期为T，如果飞船要返回地面，可在轨道某一点A将速率降低适当数值，从而使飞船沿经地心焦点的椭圆轨道运行，椭圆与地球表面在B点相切，如图所示，已知地球半径为R。试求：飞船由A点到B点所需的时间。
⑤在天体运动中，把两颗相距较近的恒星称为双星，已知A、B两恒星质量分别为M1和M2，两恒星相距为L，两恒星分别绕共同的圆心做圆周运动，如图，求两恒星的轨道半径和角速度大小。
⑥如图所示，A、B两颗行星绕同一颗恒星作匀速圆周运动，运转方向相同，A的周期为T1，B的周期为T2，在某一时刻，两行星相遇（即两行星相距最近），则：
A．经过一段时间t＝T1＋T2两行星再次相遇
B．经过一段时间两行星再次相遇
C．经过一段时间两行星再次相遇
D．经过一段时间两行星相距最远
⑦有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径之比r1∶r2＝4∶1，求：（1）这颗卫星的线速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比？
［小结］
通过本节课的学习，我们学习了绕地球飞行的卫星情况，了解了描述卫星的物理量的特点。知道了第一宇宙速度（环绕速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脱离速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。要区分卫星的发射速度与卫星进入轨道后的环绕速度。
［布置作业］
教材第44页“问题与练习”。
板书设计
5．宇宙航行
一、人造地球卫星
1．牛顿的设想
2．人造地球卫星
（1）人造地球卫星
从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。
（2）人造地球卫星必须满足的条件
地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。
（3）描述卫星运动的物理量
①卫星的向心加速度
，r↑→a↓。
②卫星运动的角速度
，r↑→ω↓。
③卫星运动的线速度
，r↑→v↓。
④卫星运动的周期
，r↑→T↑。
二、宇宙速度
1．第一宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first
cosmetic
velocity），也叫做地面附近的环绕速度。
对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则
＝7.9km/s
（谐音“吃点酒”）
2．第二宇宙速度
从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。
＝11.2
km/s
3．第三宇宙速度
从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。
v3＝16.7km/s
三、同步卫星简介
1．地球同步卫星的特点
（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。
（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。
2．地球同步卫星的“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真
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