2019_2020学年高中物理第七章万有引力与宇宙航行第四节宇宙航行教案新人教版必修第二册
文档属性
| 名称 | 2019_2020学年高中物理第七章万有引力与宇宙航行第四节宇宙航行教案新人教版必修第二册 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 1.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-09-04 07:56:05 | ||
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文档简介
宇宙航行
教学设计
科目
物理
课题
宇宙航行
课时
1课时
教学目标与核心素养
一．知识与技能1.
了解人造地球卫星的最初构想；会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；2.
知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度；二．过程与方法1.
对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度；2.
了解人造地球卫星和同步卫星，解决卫星变轨与对接以及双星模型问题。情感态度与价值观1.
了解人造地球卫星的最初构想，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；2.培养学生解决物理问题的科学思维方法，培养学生的创造性思维过程以及初步的观察、分析和概括能力。
教学重、难点
教学重点：1.
对于宇宙速度的理解和应用；2.
了解人造地球卫星和同步卫星。教学难点：1.第一宇宙速度的计算和卫星运行的规律；
2.
同步卫星的规律、卫星变轨与对接以及双星模型
教学准备
课件演示
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课：如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？
【教师引导】我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。讲授新课：（1）宇宙速度【教师引导】物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。【教师补充】设地球的质量为，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体运动所需的向心力，所以，由此解出【思考与讨论】已知地球的质量与半径，上式求解。
【学生小组交流】【教师总结】这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。第二宇宙速度：在地面附近发射飞行器，使其克服地球引力永远离开地球所需的最小发射速度。第三宇宙速度：在地面附近发射飞行器，能够挣脱太阳引力的束缚飞到太阳系外的最小发射速度。【教师补充引导】如何理解宇宙速度并且应用在题中？1、对宇宙速度的理解（1）当地面上的水平发射速度达到第一宇宙速度时，即7.9
km/s时，物体贴近地球表面做匀速圆周运动，不再落回地面。当发射速度小于7.9
km/s时，物体最终落回地面，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。（2）当在地面的发射速度满足11.2
km/s
7.9
km/s时，卫星绕地球运行的轨道是椭圆轨道，地球位于椭圆的一个焦点上。（3）当在地面的发射速度满足16.7
km/s11.2
km/s时，卫星将脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”或绕其他行星运动的卫星。2、第一宇宙速度的理解（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射高轨道卫星要克服地球引力做的功多(后面学习)。近地圆轨道是人造卫星的最低运行轨道，而此时的速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。在地面上的发射速度如果小于第一宇宙速度，物体会落回地球，不能成为卫星。（2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由可得，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。3、卫星的运行速度和发射速度的区别由得，指的是卫星在轨道上运行时的速度，其大小随轨道半径的增大而减小，所以卫星的运行速度。但由于卫星在发射过程中要克服地球引力做功(后面学习)，所以将卫星发射到离地球越远的轨道上，在地面上所需要的发射速度越大，因而卫星的最小发射速度为。4、第一宇宙速度的求解方法（1）环绕法：，其中,得（2）代换法：地球表面卫星受到的地球引力等于尹星在地面的重力，由得。注意：（1）任何天体都有“第一宇宙速度”，求解方法与地球第一宇宙速度的求解方法相同。(2)由“第一宇宙速度”的计算式可以看出，“第一宇宙速度”的值由中心天体决定，“第一宇宙速度”的大小取决于中心天体的质量和半径，与卫星无关。（2）人造地球卫星【教师引导】地球同步卫星位于赤道上方高度约
36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。【学生思考】同步卫星的特点以及卫星变轨与飞船对接【教师补充引导】（1）同步卫星：相对地面静止的卫星，又叫通信卫星。（2）运行原理：和地球的其他卫星相同，都是由万有引力提供向心力。【教师总结】卫星的轨道（1）卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以圆轨道。（2）卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周长和半长轴的关系，遵循开普勒第三定律。（3）卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必然是圆轨道的圆心。【教师补充】（1）卫星的变轨卫星在运动中的“变轨”
有两种情况：离心运动和近心运动。当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变。①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即，卫星做近心运动，轨道半径将变小。所以要使卫星的轨道半径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。②加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即，卫星做离心运动，轨道半径将变大。所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。（2）飞船的对接①低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。②同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。（3）载人航天与太空探索【教师引导】2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送人太空，包括两名女航天员。除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主决速交会对接等3次交会对接及多项实验。课堂练习：1、下列关于三种宇宙速度的说法正确的是(
)A.第一宇宙速度
,第二宇宙速度
,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于
,小于
B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造卫星的最小发射速度D.第一宇宙速度（7.9km/s）是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度答案：CD2、2018年3月30日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第三十、三十一颗北斗导航卫星。按照计划，北斗卫星导航系统将于2018年底服务“一带一路”沿线国家。已知“北斗第三十颗导航卫星”做匀速圆周运动的轨道半径小于地球同步卫星轨道半径，运行速度为v，向心加速度为a；地球表面的重力加速度为g，引力常量为G。下列判断正确的是(
)A.
地球质量为
B.
该导航卫星的运行周期大于24
小时C.
该导航卫星的轨道半径与地球半径之比为
D.
该导航卫星的运行速度与地球第一宇宙速度之比答案：AC3、地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，地球同步卫星的轨道半径为地球半径的n倍。则下列说法正确的是（
）A.地球同步卫星的周期为T
B.地球同步卫星的周期为C.地球同步卫星的加速度大小为
D.地球同步卫星的加速度大小为答案：AC4、如图所示，1、2、3分别是A、B、C三颗卫星绕地球运行的轨道，1、2是圆轨道，3是椭圆轨道，其中1是近地轨道，
P为椭圆轨道的近地点,Q为2、3两个轨道的一个交点，则下列说法正确的是（
）A.三颗卫星的线速度均不超过地球的第一宇宙速度B.卫星B和卫星C的线速度大小有可能在某时刻相等C.在Q点，卫星B的加速度—定大于卫星C的加速度D.卫星A的周期最小，卫星B的周期最大答案：B5、卫星在到达预定的圆周轨道之前,运载火箭的最后一节火箭仍和卫星连接在一起(卫星在前,火箭在后),先在大气层外某一轨道a上绕地球做匀速圆周运动,然后启动脱离装置,使卫星加速并实现星箭脱离,最后卫星到达预定轨道b。关于星箭脱离后,下列说法正确的是(
)A.预定轨道b比轨道a离地面更髙,卫星速度比脱离前大B.预定轨道b比轨道a离地面更低,卫星的运行周期变小C.预定轨道b比轨道a离地面更高,卫星的向心加速度变小D.卫星和火箭仍在同一轨道上运动,卫星的速度比火箭大答案：C6、使物体成为卫星的最小发射速度称为第一宇宙速度,而使物体脱离星球引力所需要的最小发射速度称为第二宇宙速度,与的关系是,已知某星球半径是地球半径R的1/3,其表面的重力加速度是地球表面重力加速度g的1/6,地球的平均密度为ρ,不计其他星球的影响,则(?
??)A.该星球上的第一宇宙速度为B.该星球上的第二宇宙速度为
C.该星球的平均密度为D.该星球的质量为答案：BC
学生观察图片思考讨论
学生经过老师引导，思考如何计算宇宙速度需要学生小组交流，动手计算引导学生思考理解宇宙速度在计算中的应用，并且用物理知识解答说明通过思考与讨论，正确的理解第一宇宙速度了解认识人造地球卫星了解卫星变轨的情况，理解变轨时卫星速率的变化了解我国以及世界上载人航天事业学生练习学生练习
通过生活中常见知识，激发学生的学习兴趣，引出本节课题通过联系之前已知的知识，思考计算第一宇宙速度的原理锻炼学生的计算推导的能力理解三个宇宙速度，记住宇宙速度的数值引导学生自主总结宇宙速度的计算方法，在题中应用的情况锻炼学生的理解和解决实际的能力，知道卫星的运行以及解决天体运动的基本方法
巩固本节知识巩固本节知识
板书设计
§7.4
宇宙航行宇宙速度1、第一宇宙速度2、第二宇宙速度3、第三宇宙速度人造地球卫星1、同步卫星2、近地卫星载人航天与太空探索
教学后记
引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
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教学设计
科目
物理
课题
宇宙航行
课时
1课时
教学目标与核心素养
一．知识与技能1.
了解人造地球卫星的最初构想；会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题；2.
知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度；二．过程与方法1.
对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度；2.
了解人造地球卫星和同步卫星，解决卫星变轨与对接以及双星模型问题。情感态度与价值观1.
了解人造地球卫星的最初构想，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；2.培养学生解决物理问题的科学思维方法，培养学生的创造性思维过程以及初步的观察、分析和概括能力。
教学重、难点
教学重点：1.
对于宇宙速度的理解和应用；2.
了解人造地球卫星和同步卫星。教学难点：1.第一宇宙速度的计算和卫星运行的规律；
2.
同步卫星的规律、卫星变轨与对接以及双星模型
教学准备
课件演示
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课：如图所示，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？
【教师引导】我们可以从运动和受力分析入手，用万有引力定律和牛顿第二定律进行求解。讲授新课：（1）宇宙速度【教师引导】物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。在简化之后，物体只受到指向地心的引力作用，物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动。【教师补充】设地球的质量为，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体运动所需的向心力，所以，由此解出【思考与讨论】已知地球的质量与半径，上式求解。
【学生小组交流】【教师总结】这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。第二宇宙速度：在地面附近发射飞行器，使其克服地球引力永远离开地球所需的最小发射速度。第三宇宙速度：在地面附近发射飞行器，能够挣脱太阳引力的束缚飞到太阳系外的最小发射速度。【教师补充引导】如何理解宇宙速度并且应用在题中？1、对宇宙速度的理解（1）当地面上的水平发射速度达到第一宇宙速度时，即7.9
km/s时，物体贴近地球表面做匀速圆周运动，不再落回地面。当发射速度小于7.9
km/s时，物体最终落回地面，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。（2）当在地面的发射速度满足11.2
km/s
7.9
km/s时，卫星绕地球运行的轨道是椭圆轨道，地球位于椭圆的一个焦点上。（3）当在地面的发射速度满足16.7
km/s11.2
km/s时，卫星将脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”或绕其他行星运动的卫星。2、第一宇宙速度的理解（1）“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射高轨道卫星要克服地球引力做的功多(后面学习)。近地圆轨道是人造卫星的最低运行轨道，而此时的速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。在地面上的发射速度如果小于第一宇宙速度，物体会落回地球，不能成为卫星。（2）“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由可得，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。3、卫星的运行速度和发射速度的区别由得，指的是卫星在轨道上运行时的速度，其大小随轨道半径的增大而减小，所以卫星的运行速度。但由于卫星在发射过程中要克服地球引力做功(后面学习)，所以将卫星发射到离地球越远的轨道上，在地面上所需要的发射速度越大，因而卫星的最小发射速度为。4、第一宇宙速度的求解方法（1）环绕法：，其中,得（2）代换法：地球表面卫星受到的地球引力等于尹星在地面的重力，由得。注意：（1）任何天体都有“第一宇宙速度”，求解方法与地球第一宇宙速度的求解方法相同。(2)由“第一宇宙速度”的计算式可以看出，“第一宇宙速度”的值由中心天体决定，“第一宇宙速度”的大小取决于中心天体的质量和半径，与卫星无关。（2）人造地球卫星【教师引导】地球同步卫星位于赤道上方高度约
36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同。【学生思考】同步卫星的特点以及卫星变轨与飞船对接【教师补充引导】（1）同步卫星：相对地面静止的卫星，又叫通信卫星。（2）运行原理：和地球的其他卫星相同，都是由万有引力提供向心力。【教师总结】卫星的轨道（1）卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以圆轨道。（2）卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周长和半长轴的关系，遵循开普勒第三定律。（3）卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以地心必然是圆轨道的圆心。【教师补充】（1）卫星的变轨卫星在运动中的“变轨”
有两种情况：离心运动和近心运动。当万有引力恰好提供卫星所需的向心力，即，卫星做匀速圆周运动；当某时刻速度发生突变，所需的向心力也会发生突变，而突变瞬间万有引力不变。①制动变轨：卫星的速率变小时，使得万有引力大于所需向心力，即，卫星做近心运动，轨道半径将变小。所以要使卫星的轨道半径变小，需开动发动机使卫星做减速运动。②加速变轨：卫星的速率变大时，使得万有引力小于所需向心力，即，卫星做离心运动，轨道半径将变大。所以要使卫星的轨道半径变大，需开动发动机使卫星做加速运动。（2）飞船的对接①低轨道飞船与高轨道空间站对接：如图甲所示，低轨道飞船通过合理加速，沿椭圆轨道做离心运动，追上高轨道空间站与其完成对接。②同一轨道飞船与空间站对接：如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度。（3）载人航天与太空探索【教师引导】2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至2017年底，我国已经将11名(14人次)航天员送人太空，包括两名女航天员。除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主决速交会对接等3次交会对接及多项实验。课堂练习：1、下列关于三种宇宙速度的说法正确的是(
)A.第一宇宙速度
,第二宇宙速度
,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于
,小于
B.美国发射的“凤凰号”火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造卫星的最小发射速度D.第一宇宙速度（7.9km/s）是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度答案：CD2、2018年3月30日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第三十、三十一颗北斗导航卫星。按照计划，北斗卫星导航系统将于2018年底服务“一带一路”沿线国家。已知“北斗第三十颗导航卫星”做匀速圆周运动的轨道半径小于地球同步卫星轨道半径，运行速度为v，向心加速度为a；地球表面的重力加速度为g，引力常量为G。下列判断正确的是(
)A.
地球质量为
B.
该导航卫星的运行周期大于24
小时C.
该导航卫星的轨道半径与地球半径之比为
D.
该导航卫星的运行速度与地球第一宇宙速度之比答案：AC3、地球表面的重力加速度为g，地球自转的周期为T，地球同步卫星的轨道半径为地球半径的n倍。则下列说法正确的是（
）A.地球同步卫星的周期为T
B.地球同步卫星的周期为C.地球同步卫星的加速度大小为
D.地球同步卫星的加速度大小为答案：AC4、如图所示，1、2、3分别是A、B、C三颗卫星绕地球运行的轨道，1、2是圆轨道，3是椭圆轨道，其中1是近地轨道，
P为椭圆轨道的近地点,Q为2、3两个轨道的一个交点，则下列说法正确的是（
）A.三颗卫星的线速度均不超过地球的第一宇宙速度B.卫星B和卫星C的线速度大小有可能在某时刻相等C.在Q点，卫星B的加速度—定大于卫星C的加速度D.卫星A的周期最小，卫星B的周期最大答案：B5、卫星在到达预定的圆周轨道之前,运载火箭的最后一节火箭仍和卫星连接在一起(卫星在前,火箭在后),先在大气层外某一轨道a上绕地球做匀速圆周运动,然后启动脱离装置,使卫星加速并实现星箭脱离,最后卫星到达预定轨道b。关于星箭脱离后,下列说法正确的是(
)A.预定轨道b比轨道a离地面更髙,卫星速度比脱离前大B.预定轨道b比轨道a离地面更低,卫星的运行周期变小C.预定轨道b比轨道a离地面更高,卫星的向心加速度变小D.卫星和火箭仍在同一轨道上运动,卫星的速度比火箭大答案：C6、使物体成为卫星的最小发射速度称为第一宇宙速度,而使物体脱离星球引力所需要的最小发射速度称为第二宇宙速度,与的关系是,已知某星球半径是地球半径R的1/3,其表面的重力加速度是地球表面重力加速度g的1/6,地球的平均密度为ρ,不计其他星球的影响,则(?
??)A.该星球上的第一宇宙速度为B.该星球上的第二宇宙速度为
C.该星球的平均密度为D.该星球的质量为答案：BC
学生观察图片思考讨论
学生经过老师引导，思考如何计算宇宙速度需要学生小组交流，动手计算引导学生思考理解宇宙速度在计算中的应用，并且用物理知识解答说明通过思考与讨论，正确的理解第一宇宙速度了解认识人造地球卫星了解卫星变轨的情况，理解变轨时卫星速率的变化了解我国以及世界上载人航天事业学生练习学生练习
通过生活中常见知识，激发学生的学习兴趣，引出本节课题通过联系之前已知的知识，思考计算第一宇宙速度的原理锻炼学生的计算推导的能力理解三个宇宙速度，记住宇宙速度的数值引导学生自主总结宇宙速度的计算方法，在题中应用的情况锻炼学生的理解和解决实际的能力，知道卫星的运行以及解决天体运动的基本方法
巩固本节知识巩固本节知识
板书设计
§7.4
宇宙航行宇宙速度1、第一宇宙速度2、第二宇宙速度3、第三宇宙速度人造地球卫星1、同步卫星2、近地卫星载人航天与太空探索
教学后记
引导学生对本节多学知识进行自主交流探究，根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
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