65宇宙航行(教案).doc

南莫中学2012年高一物理导学案 万有引力与航天 策划：杨传龙 审核：徐平6.5 宇宙航行【教学目的】1了解人造地球卫星的最初构想，体会科学想象的魅力2运用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力3感知人类探索宇宙的梦想，感受人类不断探索的科学精神。【教学重、难点】1第一宇宙速度的推导、理解运行半径与轨道半径的关系2万有引力定律解决问题的能力 【课时分配】 1课时【教具准备】录像资料、多媒体课件【教学设计】课前预学1天体运行中的动力学关系： 2第一宇宙速度是指物体 的速度，大小为 km/s ，也叫做 。 3在地面附近发射飞行器，如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于 飞行器绕地球运动的轨迹不是圆，而是 。当物体的速度等于或大于 km/s 时，飞行器会克服地球引力，也就是地球对飞行器产生的引力小于飞行器绕地球做圆周运动的向心力，它将永远离开地球，我们把这个速度叫做 ，达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于 这个速度叫做第三宇宙速度。42003年10月15日9时，我国 在酒泉卫星发射中心成功发射【预学疑难】123课内互动一、导入新课老师：从远古时代人们就想象着飞向太空，奔向月球，那么怎样才能实现这一梦想呢？这一节我们一起来讨论这个问题。演示并板演：石块水平抛出，其轨迹如何？ 子弹从枪膛射出，其轨迹如何 导弹水平射出，其轨迹如何 如果速度足够大，将会怎样？ 二、进行新课1宇宙速度(1)设置情境：当速度增大到某一值时，物体就会绕地球做圆周运动， 成为一颗卫星，不会落回地面。设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，推导 人造卫星的运行速度。（2）教师活动：让两个学生板演，老师巡视 学生：由F向=F万Gm v教师点评：重点强调“万有引力提供向心力”的基本思路 注意条件中r的含义师生小结：高轨道上运行的卫星，线速度小。（3）讨论：近地卫星在100km左右的高度飞行，与地球的半径6400km相比小的多，轨道半径与地球半径之间有什么关系? 地球质量M=5.981024KG学生：轨道半径近似认为等于地球的半径即r=R=6400KM， 将数据代入 计算得到v=7.9km/s (通过计算训练学生的估算能力)小结：我们把这种环绕(r=R时)所对应的速度称为第一宇宙速度（4）问题：高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？师生小结：卫星距地心越远，由 v 可知它的运行速度越慢，所以7.9km/s是人造地球卫星环绕地球做圆周运动的最大速度。如果发射速度小于7.9km/s，卫星将落到地面，而不能成为一颗卫星要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，所以它是发射的最小速度。提示：在课本25页“思考与讨论”中就提到的情景，所以，卫星中也是一个完全失重空间（5）引导看书：了解第二、三宇宙速度，要求学生知道发射速度在各个区间的轨迹情况。帮助学生小结：填各个区间的运动当发射速度大于7.9 km/s 而小于11.2km/s，它 当物体的速度等于或大于 时，它就会 ，永远离开地球当物体的速度等于或大于 ，它就会 ，挣脱太阳引力的束缚2梦想成真学生看书，了解人类探索宇宙的足迹播放录象和相关多媒体资料三、典型例题例1有两颗绕地球做匀速圆周运行的卫星，已知它们的轨道半径之比r1：r24：1，求这颗卫星的：线速度之比；角速度之比；周期之比；向心加速度之比解析：指导学生审题，画图，将题目条件在图上标出来，便于选用解题途径和选用公式 让几个学生上黑板板演点评：（1）训练学生运用“万有引力提供向心力”这一基本思想解决问题（2）比例问题的求解方法、多种途径解决问题（3）进一步了解角速度、向心加速度、周期随半径的变化答案：1v1:v2=1:2 1:2=1:8 a1:a2=1:16 T1:T2=8:1例2课本第44页第二题解析：思考从哪几个角度列基本表达式在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力： 提示， 点评：（1）解题的规范性（2）除了运用“万有引力提供向心力”外，进一步运用“万有引力近似等于重力”的思想方法，强调这是解决天体运动问题的两大理论支柱。（3）主要两个关系中的半径的含义，切不可乱约简或随便连等推导例3课本第44页“问题与练习”第一题讨论：补充同步卫星（通讯卫星）、极地卫星的相关知识引申：若飞船的周期与地球的自转周期相同T=24小时，转向一致，即如果杨利伟相对地球静止，此时飞船相当于一地球的同步卫星，从此题的结果可以看到，飞行时距地面的高度也是一个特定的值，所谓同步卫星， 由得：h= （T为地球自转周期，M、R分别为地球的质量，半径）。代入数值得h=。即：所有的同步卫星都在同一高度有同样大小的线速度，角速度，并且定点在赤道的上空。四、课堂小结：天体运行部分问题的特点是物理量多，结果关系式较复杂，但是一般有两条基本思路：一是万有引力提供向心力，二是万有引力近似等于重力。另外要不断培养对结果的分析讨论的能力。五、板书设计： 6.5 宇宙航行一、卫星1万有引力提供向心力2万有引力近似等于重力二、宇宙速度1第一宇宙速度:Gm vV=7.9km/s 最大的环绕速度，最小的发射速度2第二宇宙速度： v=11.2km/s3第三宇宙速度： v=16.7km/s六、随堂检测1若人造地球卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法中正确的是( )A半径越大，速度越小，周期越小B半径越大，速度越小，周期越大C所有卫星的线速度均是相同的，与半径无关D所有卫星的角速度都是相同的，与半径无关2同步卫星是指相对于地面不动的人造地球卫星 ( )A它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同数值B它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的C它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的数值D它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的3两颗人造地球卫星A和B的质量之比mAmB12，轨道半径之比rArB13，某一时刻它们的连线通过地心，向心加速度之比aAaB_，向心力之比FAFB_4地球和另一个天体的密度之比为32，半径之比为12，地球表面的重力加速度g9.8m/s2，则这个天体表面的重力加速度是多少？在这个天体上发射卫星的环绕速度是多少？课后提升班级 姓名 学号 1人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速度是下列的（ ）A一定等于7.9 km/s B等于或小于7.9 km/s C一定大于7.9 km/s D介于7.911.2 km/s之间2人造卫星以地心为圆心，做匀速圆周运动，下列说法正确的是（ ）A半径越大，速度越小，周期越小 B半径越大，速度越小，周期越大C所有卫星的速度均是相同的，与半径无关 D所有卫星的角速度均是相同的，与半径无关3在地球 (看作质量均匀分布的球体)上空有许多同步卫星,下面说法中正确的是 ( )A. 它们的质量可能不同 B. 它们的速度的大小可能不同C. 它们的向心加速度的大小可能不同 D. 它们离地心的距离可能不同4.可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道( )A与地球表面上某一纬线(非赤道)是共面的同心圆B与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆C与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地球表面是运动的5关于人造地球卫星及其中物体的超重和失重问题，下列说法正确的是：（ ）A在发射过程中向上加速时产生超重现象B在降落过程中向下减速时产生超重现象C进入轨道时作匀速圆周运动，产生完全失重现象，但仍受重力作用D失重是由于地球对卫星内物体的作用力减小而引起的62003年10月15日北京时间9时整，我国“神舟”五号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，10min后“神舟”五号飞船准确进入预定轨道。截至10月16日零点，“神舟”五号载人飞船已按预定轨道(视为圆轨道)环绕地球10圈。若地球质量、半径和引力常量G均已知，根据以上数据资料可估算出“神舟”五号飞船的 （ ）A离地高度 B环绕速度 C发射速度 D向心力 7关于第一宇宙的速度，下面说法错误的是（ ）A它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度 B它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度C它是能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动时近地点的速度8. “嫦娥一号奔月”示意图如右图所示，卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨，进入地月转移轨道，最终被月球引力捕获，成为绕月卫星，并开展对月球的探测，下列说法正确的是A发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度B在绕月圆轨道上，卫星周期与卫星质量有关C卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比D在绕月轨道上，卫星受地球的引力大于受月球的引力 9已知地球的半径是R，自转的角速度是，地球表面的重力加速度是g，则一颗地球同步卫星距地面的高度_。（用以上三个量表示）10一颗人造卫星在离地面高度等于地球半径的圆形轨道上运行，已知卫星的第一宇宙速度是v17.9km/s，求：（1）这颗卫星运行的线速度多大？ （2）它绕地球运动的向心加速度多大？（3）质量为1kg的仪器放在卫星内的平台上，仪器的重力多大？它对平台的压力有多大？11地球半径为6400km，在贴近地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星速度为7.9103m/s，则周期为多大？估算地球的平均密度。思考：能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星？答案；课前预学1F向=F万2近地飞行 7.9 第一宇宙速度311.2km/s 椭圆 11.2 第二宇宙速度 16.7km/s 神舟五号飞船 例题：1v1: