宇宙航行-教学设计

1、宇宙航行课题于宙航仃单兀7学科物理年级咼一教材分析本节课所米用的教材是人教版高中物理必修第一册第七章第4节的内容，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、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。教材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“万有引力定律与宇宙航行”中的重点内容，是学生进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

2、自豪感。教学目标一、教学目标1. 通过阅读课本资料了解牛顿对人造卫星的猜想、外推的思路和思想，能写出第一宇宙速度的推导过程。2. 通过第一宇宙速度的推导总结，能说出人造地球卫星的原理及运行规律。3. 通过阅读教材第三部分，能够介绍世界和我国航天事业的发展历史，感知人类探索宇宙的梦想，激发爱国热情，增强民族自信心和自豪感。二、核心素养物理观念：能从物理学的视角正确描述和解释人造地球卫星的运行规律，具备清晰的物理观念。科学思维：能在熟悉的情境中运用物理模型，能对卫星发射原理进行分析和推理。科学探究：能在对卫星发射原理的基础上做出假设，并制定合理的探究路线，从而分析数据发现规律。科学态度与责任：卫星

3、的发射原理是人类在万有引力定律基础上科学家们持续不断创造性发展的成果，是人类对宇宙奥秘探索的历程，增强民族自信心和自豪感。教学第一宇宙速度的推导。重点教学难点第一宇宙速度的推导；环绕速度与发射速度的区分教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课出示视频：神六的发射过程教师讲解：我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不冋种类的卫星。掌握了卫星回收技术和“箭多星”技术，99年发射了“神舟”号试验飞船。这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。学生观看视频了解卫星的发射为引出本节课题做铺垫讲授新课一、牛顿的设想出示图片：牛顿在1687年出版的自然哲学的数学原理中，牛顿设想：把物体从高

4、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。出示动画：抛出速度足够大时，物体就不会落回地面二、宇宙速度思考讨论：地球上的物体，发射的速度至少有多大才能离开地球进彳丁于宙航彳丁呢？物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。用万有引力定律就可求解。学生观察思考掌握速度越大，落地点离山脚越远，抛出速度足够大时，物体就不会落回地面以学过的平抛运动知识引入到人造地球卫星知识的学习，不但使学生了解科学探索的过程，更让学生体会到尖端科学的最初设想都是从已知的简单科

5、学知识出发的。例1:当卫星在地面附近绕地球运行时，轨道半径为r,地球的质量为m地物体的质量为m。(1)请推导卫星绕地球运行时V的表学生根据圆建立学生清晰达式。周运动的规的物理分析思(2)已知G=6.67x10-iiNm2/kg2，地球律和万有引路。质量M=5.89x1024kg,力定律计算地球半径R=6400km=6.4x106m，求卫卫星的运行星绕地球运行时速度V的大小是多少？速度。解：万有引力提供物体作圆周运动的向心力。Gm地m=mv2由此解出：v；'Gm地*b十mv-11r2rRr近地卫星在100200km的咼度飞行，远小于地球半径(6400km)，可以近似用地球半径R代替卫星到

6、地心的距离r。,i'Gmi1Gmv1地_1地16.67x1011x5.89x1024Jm/s6.4x106=7.9km/s1、第一宇宙速度(1)定义：物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。v=7.9km/s学生记忆理学生常常对环(2)人造卫星的发射速度与环绕速度解绕速度与发射发射速度：指被发射物体离开地面时速度不区分，的速度。因此对这部分环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕的强调十分必地球转动的线速度。要。(3)对第一宇宙速度的理解 第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将洛回地面而不能绕地球运转。 第一宇宙速度也是卫星刚好能在地球表面附近绕地球作

7、匀速圆周运动的最大环绕速度。 由v二臣知，卫星轨道半径为r越大，V越小，但需要的发射速度v越环绕发射大。思考讨论：有人说，第一宇宙速度也可用v=pgR(式中g为重力加速度，R为地球半径)算出，你认为正确吗？参考答案：正确，因为在地面附近重力近似等于万有引力即重力提供物体作圆周运动的向心力mv2mg=由此解出：&Rv=JgR=j9.8x6.4xl06m/s=7.9km/s思考：由v=J呱知高轨道上运行的卫'r星，线速度小，能否说向高轨道发射卫星比向低轨道要容易呢？参考答案：不能这样说。这是因为如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9k

8、m/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；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。学生思考讨论推导第一宇宙速度学生思考讨论锻炼学生的计算能力，掌握在地面附近重力近似等于万有引力理解向咼轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。(4)第一宇宙速度意义第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。在地面附近发射飞行器，如果速度等于7.9km/s,这飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。二9画g©思考：若卫星的发射速度大于学生思考讨论了

9、解发射速度大于7.9km/s轨迹是椭圆，等于或大于11.2km/s，永远离开地球。7.9km/s，会出现什么情况？右卫星的发射速度大于7.9km/s，绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。当飞行器的发射速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远学生阅读课离开地球。文锻炼学生的自说出第二宇主学习能力宙速度和第11.2krtL's2、第一于宙速度大小：v=11.2km/s。(1)当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫作第二宇宙速度。三宇宙速度11/15(2)意义：使卫星挣脱地球

10、的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。注意：达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。3、第三宇宙速度大小：v=16.7km/s(1)当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。ll.Skms7.9kntJsA-<11.2kni'si6.7kni''s学生动手推导出卫星运行时，其an、V、3、T，分别与其轨道半径r的关系掌握推导过程，理解r越大an越小、v越小、3越小、T越大。(2) 意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速

11、度。(3) 注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s,卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。思考：你能推导出卫星运行时，其an、v、®、T,分别与其轨道半径r的关系吗？(1)MmG=ma解得ar2nnGMr2r2r越大，an越小(2)GMm=m上解得v亟r2rr1V *戸r越大，v越小Mm(3) G=mre2解得r2'GM=V r31®*ir越大，3越小Jr3/八Mm4n2祜刀狛1r3(4) Gmr解得T=2nJr2T2VGMT*JF3r越大，T越大三、人造地球

12、卫星牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，所以直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。出示图片：第一颗人造地球卫星1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。开创了人类航天时代的新纪元。1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，开创了中国航天史的新纪丿元。出示图片：东方红1号人造地球卫星出示图片：科学家钱学森科学家钱学森被誉为“中国航天之父”为我国航天事业作出特殊贝献。出示图片：地球上卫星目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其阅读课文了解人造地球卫星学生理解记忆锻炼学生的自主学习能力掌握地球冋步卫星的特点中的通信、导航、气象等卫星已

13、极大地改变了人类的生活。1、地球同步卫星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。2、特点周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相对于地面静止。轨道一定：同步卫星轨道必须在赤道上空；咼度一定：咼度约36000km；速率一一定；加速度一定。注意：月球不是地球的同步卫星。例题：关于地球同步通讯卫星，下列说法正确的是（）A. 若其质量加倍，则轨道半径也要加倍；B. 它以第一宇宙速度运行；C. 它以第二宇宙速度运行；D. 它绕地球运行时的角速度与地球自转角速度相同。解：A、地球同步卫星距离地球的咼度约为36000km，半径一样，所以各国发射的这种卫星轨道半

14、径都一样，与质量无关，故A错误；BC、地球同步卫星在轨道上的绕行速度约为3.1千米/秒，小于7.9km/s，即小于第一宇宙速度与第二宇宙速度，故BC错误；D、同步卫星是指与地球相对静止的卫星。这种卫星绕地球转动的角速度与地球自学生分析理解学生阅读课文并观看图片。巩固地球同步通讯卫星的基本知识锻炼学生的自主学习能力，让学生感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值转的角度速度相冋，故D正确。故选：D.四、载人航天与太空探索出示图片：苏联航天员加加林1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方号载人飞船。实现了人类进入太空的梦想。出示图片：阿波罗11号飞船登月1969年7月16日9

15、时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭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20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗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。出示图片：人类在月球上留下了自己的足迹。我国的航天成就出示图片：我国第一颗人造卫星1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空。出示图片：嫦娥一号2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功。出示图片：嫦娥二号2010年10月1日嫦娥二号顺利发射出示图片：嫦娥三号2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空出示图片：神舟五号观。2003年10月1

16、5日神舟五号中国第一位航天员杨利伟出示图片：神舟六号2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜出示图片：神舟七号2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明景海鹏。出示图片：神舟九号2012年6月16日神舟九号景海鹏刘洋刘旺出示图片：神舟十号2013年6月11日神舟十号发射成功出示图片：聂海胜张晓光王亚平除了载人航天工程，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、自主快速交会对接等

17、3次交会对接及多项实验。STSE航天事业改变着人类的生活阅读课文了解航天事业对人类的生活有哪些改变。20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这全新活动领域。通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻，已经成了人们生活的一部分，电视台天学生阅读课文说出航天事业对人类的生活有哪些改变。锻炼学生的自主学习能力巩固所学的知气预报节目中的卫星云图已使我们充分感受到气象卫星的威力。卫星对地观测技术将对我国西部开发的整体规划和监控发挥重要作用。我国通过返回式卫星搭载稻种培育的高产稻“航育号”，已经大面积推广，人类已经开始享用太空育种的优良农产品。科学漫步黑洞阅读课文说一说黑洞的涵义。质量非常大，半

18、径又非常小，其逃逸速度非常大，以3X108m/s的速度传播的光都不能逃逸，即使它确实在发光，光也不能进入太空，我们也根本看不到它。对于个质量为m的球状物体，当其半径R不大于2Gm/c2时这种天体称为黑洞。课堂练习1、已知绕中心天体做匀速圆周运动的近地卫星的轨道半径为r,运动周期为T。则中心天体的平均密度p=。答案：3n/GT22、人造地球卫星A和B的质量之比为1:2，轨道半径之比为2:1，它们受到地球的引力之比为，它们运行的线速度之比为，它们运行的周期之比为。答案：1:8；1:J2；2j2:l3、如图所示，我国“北斗卫星导航系统”由5颗静止轨道卫星（地球同步卫星）和30颗非静止轨道卫星组成，卫

19、星轨道半径大小不同，其运行速度、周期等参量也不学生练习识相同，下面说法正确的是（）A. 卫星轨道半径越大，环绕速度越大B. 卫星的线速度可能大于7.9km/sC. 卫星轨道半径越小，向心加速度越大D. 卫星轨道半径越小，运动的角速度越小答案：C4. 据人民日报客户端1月3日的报道，上午10点26分，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面，完成了人类航天史上的一项壮举，实现了人类第一次在月背软着陆，成为2019年太空领域的“开门红”。关于月球，下列说法正确的是（）A. 月球上地磁南极是地理的北极，和地球上相似；B. 月球上的重力加速度约是地球上的6倍；C. 地球同步卫星的轨道半径约是地月距离的十分之一

20、；D. 月球的环绕速度要比地球同步卫星的线速度要大。答案：C5、在地球上空有许多同步卫星，下列关于地球多个同步卫星的说法中正确的是（）A.它们的质量可能不同B. 它们的速率可能不同C. 它们离地心的距离可能不同D. 它们的向心加速度大小可能不同答案：A拓展提高1、所示，T和S是绕地球做匀速圆周运动的两颗人造地球卫星，虚线为各自轨道，其中T为地球同步卫星。由此可以判定（）JA. T卫星可以相对地面静止在天津的正上方B. T卫星的运行周期小于S卫星的运行周期C. T卫星的运行速率大于S卫星的运行速率D. T卫星、S卫星的运行速率均小于7.9km/s答案：D2. 如图所示，a是赤道表面上一建巩物，随地球一起转动，b是地面附近近地轨道上正常运行的卫星，c、d两卫星在相同的轨道上（轨道平面跟赤道共面）且绕地球运行的方向一致、d在c的后面，则下