高中物理新人教版必修第二册 宇宙航行 教学设计

《宇宙航行》教学设计

教学目标：

会计算人造地球卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。

教学重点：

会推导第一宇宙速度，了解第一宇宙速度的应用领域。

教学难点：

1.人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别.

2.掌握有关人造卫星运行速率与轨道半径之间的关系计算及计算过程中的

一些代核心素养：

通过对我国航天事业发展的了解,进行爱国主义的教育.培养将科学技术服务

于人类的意识。

教学方法

创设情景、讲授法、讨论法

教学过程

教学环节教师活动学生活动设计意图

［演示实验］学生仔细观创设情境，弓1

教师演示抛物实验.引出牛顿的思考与设想.察并思考讨发思考，导入

教师：牛顿从高山上用不同的水平初速度抛出物体，不计论

蹄果

空气阻力,它们的落地点相同吗？

学生:它们的落地点不同，速度越大,落地点离山脚越远.

因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，

新课导入初速度大的水平位移大,所以落地点也较远.

教师:假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又

如何呢？

学生进行猜想总结,教师用多媒体模拟.

学生：

教师:那么人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有

什么关系呢？本节课我们就来学习和解决这个问题

1.宇宙速度

教师：牛顿曾对人造卫星的原理进行过描绘:设想在高山

上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就

越大,可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到

地面,将和月球一样成为地球的一颗卫星.（课件投影）高

轨道上运行的卫星速度小,是否发射也容易呢？

教师精讲学生:需要看卫星的发射速度,而不是运行速度.

教师：牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能

在地面附近绕地球做匀速圆周运动？地球半径为6370

km.

学生：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G.f产，得v=4k=7.9

km/s.

教师:这个7.9km/s的速度就是第一宇宙速度,请同学们学生在教师

想一下如果这个速度小于7.9km/s将会出现什么情况？引导下应用锻炼学生

学生:如果发射速度小于7.9km/s,炮弹将落到地面，而

不能成为一颗人造卫星.所学知识进分析解决

教师：同学们还要注意,第一宇宙速度是人造卫星在地面

行思考并计问题能力，

附近环绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，所以

也称为环绕速度.算得出结果计算能力

［案例分析一］

在地面附近，物体的万有引力等于重力，此力提供人造卫

星做圆周运动的向心力，能否从这一角度来推导第一宇

宙速度呢？

学生：mg="V=JM=7.9km/s.

教师:我们能否发射一颗周期为80min的人造地球卫星

呢？（提示:算一算近地卫星其周期是多少?近地卫星由于

半径最小，其运行周期最小.）

学生：

教师:请同学们阅读一下教材，看一下当速度达到第二宇

宙速度v2=ll.2km/s时人造卫星将会怎样？

学生：学生先独立锻炼学生

教师:发射速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,人造卫思考解决问分析解决

星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，

人造卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行.题,然后互问题能力，

教师：当速度达到第三宇宙速度V=16.7km/s时人造卫星

3相讨论得出学会与同

又会怎样？

学生：答案学合作讨

教师：请同学们互相之间讨论研究一下什么是人造卫星

论

的发射速度与运行速度？

学生：

［归纳总结］

（1）第一宇宙速度5=7.9km/s（环绕速度），此速度是人造

卫星发射的最小速度，也是人造卫星运行的最大环绕速

度.

（2）第二宇宙速度vz=11.2km/s（脱离速度）.

（3）第三宇宙速度VF16.7km/s（逃逸速度）.

2.人造地球卫星

教师:查阅资料找一下什么是人造地球卫星？

学生：从地面抛出的物体,在地球引力的作用下绕地球做

匀速圆周运动,就成为绕地球运动的人造卫星.

教师:世界上第一颗人造卫星是什么时候发射的？我国的

第一颗人造卫星是什么时候发射的？

学生:世界上第一颗人造卫星是苏联1957年10月4日发

射的;我国的第一颗人造卫星是1970年4月24日发射的

“东方红1号”.

教师:谁被誉为中国的航天之父？

学生:钱学森.

教师：了解了一些人造卫星的历史后，同学们研究一下要

想成为人造地球卫星必须满足什么条件？

学生：地球对人造卫星的万有引力恰好提供人造卫星做

匀速圆周运动所需的向心力.

教师：描述人造卫星运动有哪些物理量？研究下面的案

例.

［案例分析二］

/F］\

jm*

一一:/'

设地球的质量为m则人造卫星的质量为m,地球的半径为

R,人造卫星离地面的高度为h,则人造卫星的轨道半径

r=R+h,设人造卫星在轨道上运动的向心加速度为a,线速

度为V,角速度为3,周期为T.讨论:人造卫星的向心加速

度、人造卫星运动的角速度、人造卫星运动的线速度、

人造卫星运动的周期和半径的关系.

学生：

教师:人造地球卫星做圆周运动的圆心在哪里？

教师:什么是地球同步卫星？

学生：所谓同步卫星，是相对于地面静止的，和地球自转

具有相同周期的卫星,T=24h,同步卫星必须位于赤道上

学生阅读课

方距地面高h处,并且h是一定的.同步卫星也叫通讯卫让学生有

星

本，查阅人效查阅资

教师:请推导求解一下同步卫星离地面的高度是多少？

学生：造卫星相关料的同时

［归纳总结］

资料并概括了解人造

(1)在地球引力的作用下绕地球旋转的物体，就成为绕地

球运动的人造卫星.总结地球卫星

(2)人造卫星的运行规律

项目推导关系相关知识

由r得

线速度V与轨道G*半径越大,线速

半径r的关系度越小

,~~jr2

角速度3与轨由G=m<or半径越大,角速

道半径r的关系度越小

得置-才

ta2

由G*二

周期T与半径r半径越大，周期

的关系届越大

得T="

由二得

向心加速度a与G-ma半径越大，向心

半径r的关系加速度越小

a—

(3)相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的人造

卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星。

3.载人航天与太空探索

教师：阅读教材找一下是什么时候人类第一次踏入太空？学生先独立

什么时候人类踏上了月球？

学生：解决然后互

相讨论得出锻炼学生

教师：除了载人航天工程,我国还在哪些方面进行过太空

探索？结论分析解决

学生：

［案例分析三］问题能力，

如图是嫦娥飞船从地球上发射到绕月球运动的飞行示意学会与同

图，请思考:从绕地球运动的轨道上进入奔月轨道，飞船

应采取什么措施?从奔月轨道进入月球轨道,又采取什么学合作讨

措施呢？

论

学生自主进行解答后互相讨论得出结论.

结论:从绕地球运动的轨道上加速，使飞船做离心运动，

飞船进入奔月轨道;要进入月球轨道，飞船应减速.

教师点评:人造卫星绕天体稳定运行时，万有引力提供了

人造卫星做匀速圆周运动的向心力.由G-=m*",得

v=V~由此可知轨道半径r(人造卫星到地心的距离)

越大,人造卫星的速度V越小.当人造卫星由于某种原因

速度V突然改变时,F和不再相等，因此就不能再根据

v=V~来确定r的大小.

苗

(1)当v增大时,所需向心力m*•增大,即万有引力不足以

提供人造卫星做圆周运动的向心力，人造卫星将做离心

运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但人造卫星一

巨

旦进入新的轨道运行，由v=N肥知其运行速度要减小.

(2)当人造卫星的速度减小时，向心力才减小，即万有引

力大于人造卫星所需的向心力，因此人造卫星将做向心

运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新

轨道运行时由v=V~知其运行速度将增大.(人造卫星

的发射和回收就是利用了这一原理)

［归纳总结］

(1)世界载人航天史的了解.

(2)中国载人航天的了解.

(3)我国的太空探索.