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

1、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.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；.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.对于宇宙速度的理解和应用，计算第一宇宙速度；.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。三.情感态度与价值观.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；.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

2、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师活动学生活动设计意图一.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，成为学生观察图片思考讨论通过生活中常见知识，激发学生的学习兴教学过程人造地球卫星。你知道这个速度究竟有多大吗？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/i【教师引导】我们可以从运动和受力分

3、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】设地球的质量为父.物体的质量为口，速度为V，它到地心的距离为八万有引力提供物体运动所需的向心力，所以题.Jcmjsr，二二殉，由此解出廿=J产【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】犷71A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

4、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。/=16.7km/s【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=7.9km/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7.9km/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仃满足11.2km/sf7.9km/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仃满足16.7km/s廿三11.2km/s时，卫星将脱离地球的束缚，成为太阳

5、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算推导的能力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通过思考与讨论，正确的理解三个宇宙速度，记住宇宙速度的数值小，由台等二河告可得廿=旧

6、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理解第一宇宙速度由台等=卓当得=詈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r三79心鼠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7,”加由。4、第一宇宙速度的求解方法（1）环绕法：亨二哈其中国二R,得1GM（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，由切目=忸？得=衽诉。注意：（1）任何天体都有“第一宇宙速度”，求

7、解方法与地球第一宇宙速度的求解方法相同。引导学生自主总结宇宙速度的计算方法，（2）由“第一宇宙速度”的计算式y=愣可以看出，“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.M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1力提供向心力。【教师总结】卫星的轨道（

8、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1力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引1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在题中应用的情况向心力，即G七二.一/，卫星做匀速圆周运产-产动；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

9、变。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。士;-卫星做近心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。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-=-:一，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。同

10、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（3）载人航天与太空探索了解我国以及世界上载人航天事业了解我国以及世界上载人航天事业除了载人航天工程，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

11、法正确的是（）A.第一宇宙速度，=-：-.二,第二宇宙速度%=11.2ta/r,则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于妁，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“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”

12、做匀速圆周运动的轨道半径小于地球同步卫星轨道半径，运行速度为丫，向心加速度为a；地球表面的重力加速度为8，引力常量为Gk列判断正确的是（）一一口,v4A.地球质量为GaB.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7g：亚D.该导航卫星的运行速度与地球第一宇宙速度之比4a:亚答案：AC3、地球表面的重力加速度为8，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（）学生练习巩固本节知识A.地球同步卫星的周期为TB.地球同步卫星的周期为Tn2C.地球同步卫星的加速度大小为gn2D.地球同步卫星的加速度大小为1gn答案：AC4、如图所示，

13、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（）学生练习巩固本节知识WOA.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的加速度一定大于卫星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离地面更高,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V,而使物体脱离星球引力所需要的最小1发射速度称为第二宇宙速度V,V与V的关系221是V=心V,已知某星球半径是地球半径R的211/3,其表面的重力加速度是地球表