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宇宙航行(竞赛)



6.5 宇宙航行
一、教材分析:
《宇宙航行》 为高中物理人教版必修 2 第七章的第五节, 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重 要实例,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学知识的一个极好素材。教材不但 介绍了 人造卫星中的一些基本理论,更在其

中渗透了很多研究实际物理问题的物理方 法。 学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律,因此在分析人造卫星 的运动学特点和动力学特点可采取类比的方法, 从而进一步理解应用万有引力定 律分析天体运动的方法。 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、探索天体物理问题的理论基础。另外,学生通过对人 类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解, 也将潜移默化地 产生对航天科学的热爱,增强学生的民族自信心和自豪感。

三、教学目标
1、知识与技能 (1)能够用万有引力定律和圆周运动的知识推导第一宇宙速度,了解第二、 第三宇宙速度及其意义。 (2)理解卫星的运行速度、周期与半径的关系,了解同步卫星的特点。建立 起关于各种卫星运行状况的正确图景。 2、过程与方法 (1) 经历探究人造卫星由设想变成现实的过程,体会猜想、外推的科学方法, 培养学生的科学思维。 (2)通过用万有引力定律和圆周运动的知识推导第一宇宙速度,提高学生运 用所学知识分析和解决问题的能力,培养学生科学探究能力。 (3)通过对卫星运动规律的研究,培养学生归纳、分析、推导及表达能力。 3、情感态度与价值观 (1)了解人类探索太空的过程,感受科技发展对人类进步的巨大促进作用, 通过对我国航天事业的了解,参透爱国主义教育。 (2)感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就,激发学生学习物理的热情,促使 学生树立献身科学的人生观和价值观。 (3)认识到天体运动问题实质是牛顿第二定律的应用,能对已有知识进行组织 和归类,学会构建知识体系。

四、教学方法
“问题-探究”教学,启发式教学,多媒体辅助教学。

五、教学重点
(1)第一宇宙速度的推导,了解第二、第三宇宙速度。 (2)卫星运行速率与轨道半径之间的关系。

六、教学难点
第一宇宙速度就是最小的发射速度又是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。

七、教学过程:
一、 引入新课 教师:仰望星空,浩瀚的宇宙苍穹给人以无限遐想,千百年来,人类一直向往能 插上翅膀飞出地球,去探索宇宙的奥秘。随着科技的发展,这一飞天梦想终于变 成现实,我国航天员也第一次在飞船舱外的茫茫太空留下了中国人的足迹。 播放嫦娥三号点火发射视频片段: 教师:航天一直是人类的梦想。中国有嫦娥奔月,飞天,外国女巫骑扫把。第一 个想到用火箭来发射的明朝的万户。人类为了航天第一次付出了生命的代价。 二、 新课教学 1、引导学生猜想、提出“牛顿的设想” 。 教师:我们知道,地球对周围的一切物体都有引力的作用,因此我们抛出的物体 会落回地面,在地面抛出一个物体,抛出的速度越大,落地点与抛出点的水平距 离越大。 地球可近似看成个球体,如果抛出的速度很大,地面还能看成是水平面吗? 学生:不能?应是球面。 教师:如果不断增大抛出的速度,可能出现什么现象? 牛顿说过“没有大胆的猜测就没有伟大的发现” 。在已有事实的基础上,合 理外推,科学假设,是认知未知事物的的一种科学方法。那么由以上事实基础, 你能作出怎样的猜想呢? 学生:思考并回答。 教师: 同 学 们 今 天 的 想 法 居 然 与 牛 顿 当 年 的 想 法 是 一 样 的 , 这 是 牛 顿 在 1687 年出版的《自然哲学的数 学原理》一书中的卫星 发射原理 。 播放牛顿关于卫星发射原理设想的视频: 陈述牛顿的设想:从地球上最高的山峰上将物体水平抛出,速度越大,落地 点就越远。如果没有空气阻力,抛出的速度足够大时,物体就不再落回地面,它 将绕地球运动,成为一颗人造地球卫星。 2、三种宇宙速度 教师:从牛顿提出大胆的设想到第一颗人造卫星成功发射,经历了近三百年,为 什么呢?因为发射卫星的速度太大了, 当时人类的科技水平还不能制造这么高速 的物体。那么,最少以多大的速度将物体抛出,它才会绕地球运动不会落下来? (提示:将卫星绕地球运动近似看成匀速圆周运动) 学生自主推导: 设地球和人造卫星的质量分别为 M 和 m,卫星到地心的距离为 R,卫星的 运行速度为 V。 万有引力提供向心力,则:

代入数据得 V=7.9km/s 教师:这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度,叫第 一宇宙速度。它也是发射一个物体,使其成为地球卫星的最小发射速度。若以第 一宇宙发射一个物体,它将在贴着地球表面的轨道做匀速圆周运动。 那么,如何使物体的速度达到 7.9 ㎞/s呢? 利用三级火箭 为运载工具 使 卫星飞出地球是目前普遍采用的、 有效的 方 法 ,但这种方法已经用了几 十年了、危险性大、代价高,有没有更好 的 方 法呢?希望 大家 今天努力学习,撑握好科学知识,将来发明更安全, 更 高 性能的发射系统,为人类 作出更大的贡献。 教师提出问题:如果卫星的发射速度比 7.9km/s 大一点,卫星会怎样运动? 学生思考并回答: 如果卫星的发射速度比 7.9km/s 大一点,地球的引力将不足以为其提供做圆 周运动的向心力,开始做离心运动。 教师补充:同学们回答得不错!如果卫星的发射速度比 7.9km/s 大一点,地球的 引力将不足以为其提供做圆周运动的向心力,先做离心运动,最终绕地球运动的 轨迹是椭圆而不是圆,至于轨道为什么是椭圆,将来可 结合数学 知识 证明 (介绍近地点、远地点 ),且卫星做变速率运动,发射速度越大,椭圆越扁。 提出问题:如果物体的发射速度继续增大,将会怎样? 学生思考交流 教师:如果物体的发射速度再大,椭圆更扁,远地点离地球太远,以至 地球对 物 体 的引力太小,物体将摆脱地球引力的束缚,离开地球。若物体的发射速度 达到或超过 11.2km/s 时, 物体将摆脱地球引力的束缚, 离开地球。 我们把 11.2km/s 这个速度称为第二宇宙速度。 物体脱离地球引力束缚后,还会受到太阳引力的束缚。如果发射物体的速度 更大,达到或超过 16.7km/s 时,物体还将脱离太阳引力的束缚,飞向太阳系之 外宇宙空间,我们把 16.7km/s 这个速度称为第三宇宙速度。 3、卫星运行规律 教师:刚才我们讨论了三个宇宙速度,知道如何把卫星送上天了。 现在 天空中已有许多不同用途的人造卫星,实际上这些卫星并不是贴着地球 表面运行 的, 而是用 火箭把 卫 星送 到一定 高度的轨 道后 再 绕地球运行的。 提 出问 题: (1) 将卫 星 送 入低 轨 道 和高 轨 道 所 需的 速 度 哪一 个 更 大 ?哪 一 个 更容 易 ? 为 什么? (2) 卫 星 在 不 同 轨 道 绕地球运动的速度又怎样算?它与卫 星 的 发 射 速 度 是 同 一 个速度吗? 为简化问题,我们将不同轨道上运行的 卫星看成匀速度圆周运动,请 同 学 们用已学的知识探究 卫星 绕地球运行的速度、周期和轨道半径的关系。 学生探究:

可得: 学生总结,教师适当补充: (1)发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度,一旦发射后再无能量

补充, 被发射物体仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度,进入运行 轨道。 运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球运行的线速度。 (2)向高轨道发射卫星 需要的速度大,将 卫星 送入轨道越不容易,因向高轨 道 发 射卫星 ,要克服地球对它的引力做功更多。 (3) 卫 星运动的速度、 角速度、周期都与 卫星质量无关,仅由轨道半径决 定 。 当卫星 环绕地球表面运行时,轨道半径最小,运行速度最大,此时发射速 度与运行速度相等。故第一宇宙速度既是卫星 最小的发射速度也是最大运行速 度。 5 、梦想成真 学 生阅 读并 汇报通过网络查阅的人类航天发展史中的主要 标志 性事 件 : (1)1957 年 10 月 4 日晚:苏联成功发射第一颗人造地球卫星 (2)1961 年 4 月 12 日:苏联 27 岁的宇航员尤里·加加林 乘坐“东方”号宇宙飞 船环绕地球一周,成为飞出地球大气层进入外层空间的第一人 (3)1969 年 7 月 20 日:美国“阿波罗”11 号上的宇航员奥尔德林、阿姆斯特朗 登上月球,人类第一次将足迹留在地球以外的星球上。 (4)2003 年 10 月 15 日 9 时整,我国自行研制的“神舟”五号载人飞船在中国酒 泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟”五号 载人飞船执行任务的航天员是 38 岁的杨利伟。 (5)2007 年 10 月 24 日,我国首颗探月卫星“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发 射成功。 教师介绍我国的探月计划: (1)2004 年-2007 年 为“绕”的阶段,主要目标是发射“嫦娥一号”探测卫星, 对月球进行为期 1 年的全球性、整体性和综合性探测。这一计划已经成功实现。 (2)2007 年-2012 年 为“落”的阶段,主要目标是实现月球表面软着陆与月球 巡视探测。 (3)2012 年-2017 年 为“回”的阶段,主要目标是实现月球表面软着陆并采样返 回。 只有完成了这三个阶段后,中国才有可能考虑和实施载人登月。 随着科学技术的发展, 我们的梦想逐渐成真,我们探测太空的脚步会越走越 快,越走越远。也许有一天我们也能到其它星球旅游定居。这些梦想的实现有赖 以我们今天的努力学习。 7、课堂小结 本节课我们学习了如何用万有引力定律来研究卫星的运动问题, 深化了对万 有引力是向心力这一研究天体运动的基本方法的掌握, 了解了卫星发射与运行的 情况,知道三种宇宙速度的含义。 8、布置作业 (1)P44 问题与练习:1、3 (2)阅读教科书上 P42 的科学漫步“黑洞”及 P43 中 STS“航天事业改变着人类生 活”。

9、板书设计 宇宙航行 一、牛顿的设想 1.平抛原理 2.向心力的来源 3..线速度、角速度、周期与半径的关系 二、宇宙速度 1.第一宇宙速度(环绕速度):V1=7.9km/s (卫星的最小发射速度;卫星的最大运行速度) 2.第二宇宙速度(脱离速度): V2=11.2km/s 3.第三宇宙速度(逃逸速度): V3=16.7km/s 四、梦想成真。



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