《宇宙航行》教案

PAGEPAGE8《宇宙航行》教案一、教材分析《宇宙航行》是普通高中教科书物理必修第二册第六章第5节的内容。“宇宙航行”是本章的最后一节，属于课程标准中“力和运动”的模块。本节是在学生学了圆周运动、万有引力定律并初步体会了应用定律测量天体质量的基础上学习的，主要研究如何利用力和运动的关系实现卫星的成功发射，并结合匀速圆周运动的规律及万有引力定律总结卫星运行的参数特点，让学生认识万有引力理论在人类航天事业发展、探索宇宙空间所作出的重大贡献，深刻体会物理知识对科技发展做出的贡献。二、学情分析通过学习，大部分学生已经掌握如何计算万有引力，并知道物体做匀速圆周运动的受力特征，熟悉了用线速度、角速度、周期表示的向心力表达式，知道忽略地球自转时重力与万有引力的关系，且对卫星发射、同步卫星、探索宇宙奥秘有浓厚兴趣。但是学生建立运动模型，动脑分析深层次问题还不够积极主动，表述时还缺少逻辑性和严谨性，对于讨论物理量之间的联系还不能准确无误，认识问题容易表面化。三、教学目标（一）物理观念（二）科学思维通过匀速圆周运动模型的分析处理，计算人造地球卫星运行的线速度、角速度、周期，并能总结卫星“圆规道”运行参数与轨道半径的关系。培养学生应用解决物理问题的能力（三）科学探究通过牛顿对卫星设想的动画演示，体验，学会建立“匀速圆周运动模型”，推导第一宇宙速度，理解第一宇宙速度的物理含义；了解第二和第三宇宙速度的数值及含义，并感受人类对客观世界不断探究的精神和情感；（四）科学态度与责任通过视频资料及网络资源了解近地卫星、地球同步卫星，尝试利用所学的知识分析卫星的运行特点。激发学生探索未知事物的兴趣，树立为我国航天事业发展而努力奋斗的信念。四、教学重点卫星做匀速圆周运动时，运动参量的推导与应用五、教学难点1、理解第一宇宙速度的含义。2、人造卫星处理方法（绕地球的“匀速圆周运动”模型六、教学过程【课的引入】图片：星空、飞天、太空行走，从人类对宇宙的向往及如今梦想实现来引出课题学生活动：观看图片，感受宇宙之美，产生对探索宇宙，掌握卫星运动规律的兴趣教学资源：图片：星空、飞天、太空行走设计意图：激发学生的学习兴趣，感受自然和谐之美，感受人类实现梦想的自豪感【活动】新课教学：1、卫星的发射（1）牛顿对人造卫星的设想。由生活经验得到物体平抛的初速度越大，被认出得越远，【视频】：牛顿设想：站在高山，以更大的速度将物体抛出，物体的轨迹在地面的投影为地球的一段圆弧，速度越大，对应的圆弧越大，速度大于某一值时，物体应该绕地球表面飞行，不落向地面。【设问】1、此时物体的受力与运动有怎样的关系？学生活动：观察、思考、推理：从物体的受力与运动分析，建立绕地球的“匀速圆周运动”模型。设计意图：培养学生对常见现象深入思考的能力，培养分析物理问题，建立物理模型的意识。（2）第一宇宙速度的计算与含义【设问】你能计算出使物体不再下落，恰好绕着地球飞行的最小发射速度吗？鼓励学生用不同的方法计算最小的发射速度。学生活动：建立匀速圆周运动模型，利用合外力等于向心力列方程进行求解；从万有引力与重力的关系思考如何求出最小发射速度；总结第一宇宙速度的第一及计算方法③、播放视频：第一颗人造卫星成功发射。设计意图：促使学生在新情境中进一步理解匀速圆周运动的特点，学习建立模型，并利用不同的思路解题，培养学生的发散思维。培养学生的总结能力。感受理论研究对实际应用的指导作用。体会物理知识的强大，激发学生学习物理的兴趣。（3）第二、三宇宙速度【引导和设问】1、如果发射速度大于7.9km/s卫星会如何运动？学生活动:做出猜想，尝试画出物体可能的运动轨迹，并尝试说明绘制的依据。学生活动：思考，交流，倾听。形成思维碰撞，通过教师的引导，学生间的相互补充，尝试用圆周运动中力的供需关系解释卫星运动的轨迹。了解第二宇宙速度和第三宇宙速度的含义。教师引导学生：从力与运动的关系去思考问题。并说明实际的运动轨迹要通过更严谨的数学推算得出。请有兴趣的同学参考牛顿《自然哲学的数学原理》动画展示：卫星以不同发射速度发射时的运动情况教学资源：课本：P44，电子白板，FLASH动画。设计意图：通过该环节，培养学生在面对书中的结论时学会深入思考，发展学生思维的深刻性，激发学生的探究欲望，并通过讨论进一步加深对与力和运动关系的认识。通过动画形象生动的表现三个宇宙速度下物体的运动，使学生印象深刻【活动】2、卫星的运行(1)卫星的运行参数【设问】质量为m的卫星绕地球M做匀速圆周运动时，其运行的线速度、角速度、周期和向心加速度的大小与什么因素有关？教师：利用动画演示进一步引导学生用最简洁的话语总结卫星的运动规律学生活动：总结卫星匀速圆周运动时的运动规律：高轨低速周期长或轨道越高，卫星运行越慢。教学资源：学案、实物展台、FLASH动画设计意图：进一步认识卫星做匀速圆周运动的规律，为后续地球同步卫星的学习铺垫基础，同时锻炼学生归纳总结，简洁表述的能力。(2)比较发射速度与运行速度【讲解与设问】明确什么是发射速度，什么是运行速度。①、最小的发射速度是多少？最大的环绕速度是多少？②、比较发射速度、第一宇宙速度、卫星匀速圆周运动运行速度的大小。③、近地卫星的运行速度是多少？学生活动：总结：宇宙速度都指发射速度。通过讨论认识7.9km/s既是最小的发射速度，也是最大的环绕速度；总结：V发≥7.9km/s≥V运；近地卫星：v=7.9km/s设计意图：帮助学生明晰发射速度与运行速度的概念，并掌握两者的区别与联系.明确近地卫星的运动特点，便于与同步卫星进行比较。【活动】3、地球同步卫星(1)讨论地球同步卫星的轨道特点【播放视频】“北斗”导航定位系统中有关地球静止轨道卫星的新闻。【图片】北斗系统卫星轨道图【追问】哪一个是地球静止轨道？学生活动：了解地球同步卫星的含义，分析同步卫星的轨道特点。总结：所有卫星轨道的中心都应该在地球的中心。设计意图：通过学生的交流互动，教师的质疑启发，认识同步卫星的轨道只能与赤道共面的必要性，进一步理解卫星在圆轨道上稳定运行时，必定满足万有引力=向心力。(2)讨论地球同步卫星的运行参数特点【追问】地球同步卫星的周期一定，与地球自转的周期相同是24h，那么其它运行参数有何特点？教师：介绍地球同步卫星最多只有120颗。学生活动：通过例题，总结：地球同步卫星的“六个一定”。感受空间资源的有限，认识发展发展航天事业的紧迫性。教学资源：学案设计意图：感受物理知识的实际应用。通过学生的交流互动，教师的质疑启发，认识同步卫星的轨道只能与赤道共面的必要性，进一步理解卫星在圆轨道上稳定运行时，必定满足万有引力=向心力。感受我国航天事业的发展具有领先水平，增强民族自豪【讲授】4、激发兴趣、放飞梦想【播放视频】：回顾人类史上载人航天事业的发展。设计意图：激发学生的民族自豪感，客观认识我国与发达国家在航天事业上的差距，树立为我国航天事业发展做出贡献的信念【讲授】课后知识总结教师引导学生总结本节课所学的主要内容，并提供一些网址，鼓励有兴趣的学生进行深入学习，撰写小论文。合格考达标练1.假设地球的质量不变,而地球的半径增大到原来半径的2倍,那么地球的第一宇宙速度的大小应为原来的()A.2 B.22 C.12 D答案B解析因第一宇宙速度即为地球近地卫星的线速度,此时卫星的轨道半径近似等于地球的半径,且地球对卫星的万有引力提供向心力。由Gm地mR2=mv2R得v=Gm地R,因此,当m地不变,R2.(多选)(山东潍坊模考)年4月29日中国空间站天和核心舱成功发射入住九天,紧接着年5月15日火星探测器天问一号送祝融号火星车成功落火,2020年12月嫦娥五号奔月取回近2kg月壤。若“探月”“落火”“入九天”过程中,在从地球上的发射速度分别是v月、v火和v天,下列关于这三个速度的说法正确的是()A.7.9km/s<v月<11.2km/sB.v火>16.7km/sC.v天>11.2km/sD.11.2km/s<v火<16.7km/s答案AD解析月球探测器绕月球飞行,发射时飞离地球但绕月时仍在地球引力范围内,故7.9km/s<v月<11.2km/s;火星探测器飞离地球但仍在太阳的引力范围内,故11.2km/s<v火<16.7km/s;天和核心舱是绕地球运行的空间站,所以v天<7.9km/s,故B、C错误,A、D正确。3.由于通信和广播等方面的需要,许多国家发射了地球同步卫星,这些卫星的()A.质量可以不同 B.轨道半径可以不同C.轨道平面可以不同 D.速率可以不同答案A解析地球同步卫星轨道必须在赤道平面内,离地面高度相同的同一轨道上,角速度、线速度、周期一定,与卫星的质量无关。选项A正确,B、C、D错误。4.(多选)如图所示,牛顿在思考万有引力定律时就曾设想,把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出,速度一次比一次大,落地点也就一次比一次远。如果速度足够大,物体就不再落回地面,它将绕地球运动,成为人造地球卫星,则下列说法正确的是()A.以v<7.9km/s的速度抛出的物体可能落在A点B.以v<7.9km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动C.以7.9km/s<v<11.2km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动D.以11.2km/s<v<16.7km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动答案AC解析物体抛出速度v<7.9km/s时必落回地面,物体抛出速度v=7.9km/s时,物体刚好能不落回地面,绕地球做圆周运动,选项A正确,B错误;当物体抛出速度7.9km/s<v<11.2km/s时,物体在抛出点做离心运动,但物体不能脱离地球引力束缚,故物体做椭圆运动,可能沿C轨道运动,选项C正确;当物体抛出速度v>11.2km/s时,物体会脱离地球引力束缚,不可能沿C轨道运动,选项D错误。5.若取地球的第一宇宙速度为8km/s,某行星的质量是地球质量的6倍,半径是地球半径的1.5倍,此行星的第一宇宙速度约为()A.16km/s B.32km/sC.4km/s D.2km/s答案A解析第一宇宙速度是行星表面卫星的环绕速度,对于卫星,其轨道半径近似等于星球半径,所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力,根据万有引力定律和牛顿第二定律得Gm地mR2=mv2R,解得v=Gm地R。因为该行星的质量m星是地球质量m地的6倍,半径R'是地球半径R的1.5倍,则v'v=Gm6.中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统,如图所示是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图,已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动,a是地球同步卫星,则()A.卫星a的角速度小于c的角速度B.卫星a的加速度大于b的加速度C.卫星a的运行速度大于第一宇宙速度D.卫星b的周期大于24h答案A解析由万有引力提供向心力有Gm地mr2=mω2r=m4π2T2r=mv2r=ma,得ω=Gm地r3,a=Gm地r2,v=Gm地r,T=2πr3Gm地。a的轨道半径大于c的轨道半径,因此卫星a的角速度小于c的角速度,选项A正确;a的轨道半径与b的轨道半径相等,因此卫星a的加速度等于b的加速度,选项B错误;a的轨道半径大于地球半径,因此卫星7.星球上的物体脱离星球引力所需的最小速度称为该星球的第二宇宙速度,星球的第二宇宙速度v2与其第一宇宙速度v1的关系是v2=2v1。已知某星球的半径为r,表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的16,不计其他星球的影响,则该星球的第二宇宙速度为(A.gr B.1C.13gr D.答案C解析16mg=mv12r得v1=16gr。再根据v2=2v1得v28.据报道:某国发射了一颗质量为100kg、周期为1h的人造环月卫星。一位同学记不住引力常量G的数值,且手边没有可查找的资料,但他记得月球半径为地球半径的14,月球表面重力加速度为地球表面重力加速度的16,经过推理,他认定该报道是一则假新闻,试写出他的论证方案。(地球半径约为6.4×103km,地球表面重力加速度g地取9.8m/s答案见解析解析对环月卫星,根据万有引力定律和牛顿第二定律有Gm月mr2=m4π2T则r=R月时,T有最小值,又Gm月R故Tmin=2πR月g月=2π14代入数据解得Tmin=1.73h环月卫星最小周期为1.73h,故该报道是则假新闻。等级考提升练9.年4月27日23时22分迎来了年的“最大满月”,俗称“超级月亮”。2020年10月31日2时45分出现一个“最小满月”。月亮一年内要绕地球转12圈多,每个月都会经过近地点,最近的时候可能达到3.5×105km,一般情况下在3.6×105~3.7×105km之间,当月亮距离我们近时,看到的月亮大一些,当月亮距离我们远时,看到的月亮小一些。下列关于这一现象说法正确的是()A.“最大满月”比“最小满月”运行的线速度小B.“最大满月”比“最小满月”在相等的时间内与地球的连线扫过的面积大C.“最大满月”绕地球运行的加速度小于同步卫星的加速度D.要发射一颗卫星和月球在同一个轨道绕地球运行,发射速度应大于11.2km/s答案C解析由Gm地mr2=mv2r解得v=Gm地r,由于“最大满月”时与“最小满月”时相比,月亮离地球更近,所以“最大满月”比“最小满月”运行的线速度大,故A错误;由开普勒第二定律可知,“最大满月”比“最小满月”在相等的时间内与地球的连线扫过的面积相等,故B错误;由公式Gm地mr2=ma可知,由于“最大满月”时月球到地球的距离比同步卫星到地球的距离更远,所以“最大满月”10.(2020天津卷)北斗问天,国之夙愿。我国北斗三号系统的收官之星是地球静止轨道卫星,其轨道半径约为地球半径的7倍。与近地轨道卫星相比,地球静止轨道卫星()A.周期大 B.线速度大C.角速度大 D.加速度大答案A解析由Gm地mr2=m2πT2r、Gm地mr2=mv2r、Gm地mr2=mω2r、Gm地mr2=ma可得T=2πr11.(多选)土星外层上有一个环(如图所示),为了判断它是土星的一部分还是土星的卫星群,可以测量环中各层的线速度v与该层到土星中心的距离R之间的关系来判断()A.若v∝R,则该层是土星的一部分B.若v2∝R,则该层是土星的卫星群C.若v∝1RD.若v2∝1R答案AD解析若为土星的一部分,则它们与土星绕同一圆心做圆周运动的角速度应与土星相同,根据v=Rω可知v∝R;若为土星的卫星群,则由公式Gm土mR2=mv2R可得v2∝1R。故A12.某星球的半径为R,在其表面上方高度为aR的位置,以初速度v0水平抛出一个金属小球,水平射程为bR,a、b均为数值极小的常数,则这个星球的第一宇宙速度为()A.2abv0 B.