宇宙航行-教學(xué)設(shè)計

1、宇宙航行課題于宙航仃單兀7學(xué)科物理年級咼一教材分析本節(jié)課所米用的教材是人教版高中物理必修第一冊第七章第4節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)重點講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度，并介紹了第、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個實例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識的一個極好素材。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬有引力定律與宇宙航行”中的重點內(nèi)容，是學(xué)生進步學(xué)習(xí)研究天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對航天科學(xué)的熱愛，增強民族自信心和

2、自豪感。教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo)1. 通過閱讀課本資料了解牛頓對人造衛(wèi)星的猜想、外推的思路和思想，能寫出第一宇宙速度的推導(dǎo)過程。2. 通過第一宇宙速度的推導(dǎo)總結(jié)，能說出人造地球衛(wèi)星的原理及運行規(guī)律。3. 通過閱讀教材第三部分，能夠介紹世界和我國航天事業(yè)的發(fā)展歷史，感知人類探索宇宙的夢想，激發(fā)愛國熱情，增強民族自信心和自豪感。二、核心素養(yǎng)物理觀念：能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋人造地球衛(wèi)星的運行規(guī)律，具備清晰的物理觀念?？茖W(xué)思維：能在熟悉的情境中運用物理模型，能對衛(wèi)星發(fā)射原理進行分析和推理。科學(xué)探究：能在對衛(wèi)星發(fā)射原理的基礎(chǔ)上做出假設(shè)，并制定合理的探究路線，從而分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：衛(wèi)星

3、的發(fā)射原理是人類在萬有引力定律基礎(chǔ)上科學(xué)家們持續(xù)不斷創(chuàng)造性發(fā)展的成果，是人類對宇宙奧秘探索的歷程，增強民族自信心和自豪感。教學(xué)第一宇宙速度的推導(dǎo)。重點教學(xué)難點第一宇宙速度的推導(dǎo)；環(huán)繞速度與發(fā)射速度的區(qū)分教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課出示視頻：神六的發(fā)射過程教師講解：我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，相繼發(fā)射了多顆不冋種類的衛(wèi)星。掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“箭多星”技術(shù)，99年發(fā)射了“神舟”號試驗飛船。這節(jié)課，我們要學(xué)習(xí)有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識。學(xué)生觀看視頻了解衛(wèi)星的發(fā)射為引出本節(jié)課題做鋪墊講授新課一、牛頓的設(shè)想出示圖片：牛頓在1687年出版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中，牛頓設(shè)想：把物體從高

4、山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。出示動畫：拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面二、宇宙速度思考討論：地球上的物體，發(fā)射的速度至少有多大才能離開地球進彳丁于宙航彳丁呢？物體在地球附近繞地球運動時，太陽的作用可以忽略。只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作圓周運動的向心力由萬有引力提供。用萬有引力定律就可求解。學(xué)生觀察思考掌握速度越大，落地點離山腳越遠(yuǎn)，拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面以學(xué)過的平拋運動知識引入到人造地球衛(wèi)星知識的學(xué)習(xí)，不但使學(xué)生了解科學(xué)探索的過程，更讓學(xué)生體會到尖端科學(xué)的最初設(shè)想都是從已知的簡單科

5、學(xué)知識出發(fā)的。例1:當(dāng)衛(wèi)星在地面附近繞地球運行時，軌道半徑為r,地球的質(zhì)量為m地物體的質(zhì)量為m。(1)請推導(dǎo)衛(wèi)星繞地球運行時V的表學(xué)生根據(jù)圓建立學(xué)生清晰達式。周運動的規(guī)的物理分析思(2)已知G=6.67x10-iiNm2/kg2，地球律和萬有引路。質(zhì)量M=5.89x1024kg,力定律計算地球半徑R=6400km=6.4x106m，求衛(wèi)衛(wèi)星的運行星繞地球運行時速度V的大小是多少？速度。解：萬有引力提供物體作圓周運動的向心力。Gm地m=mv2由此解出：v；'Gm地*b十mv-11r2rRr近地衛(wèi)星在100200km的咼度飛行，遠(yuǎn)小于地球半徑(6400km)，可以近似用地球半徑R代替衛(wèi)星到

6、地心的距離r。,i'Gmi1Gmv1地_1地16.67x1011x5.89x1024Jm/s6.4x106=7.9km/s1、第一宇宙速度(1)定義：物體在地球表面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫作第一宇宙速度。v=7.9km/s學(xué)生記憶理學(xué)生常常對環(huán)(2)人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度解繞速度與發(fā)射發(fā)射速度：指被發(fā)射物體離開地面時速度不區(qū)分，的速度。因此對這部分環(huán)繞速度：指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞的強調(diào)十分必地球轉(zhuǎn)動的線速度。要。(3)對第一宇宙速度的理解 第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，發(fā)射速度低于它，衛(wèi)星將洛回地面而不能繞地球運轉(zhuǎn)。 第一宇宙速度也是衛(wèi)星剛好能在地球表面附近繞地球作

7、勻速圓周運動的最大環(huán)繞速度。 由v二臣知，衛(wèi)星軌道半徑為r越大，V越小，但需要的發(fā)射速度v越環(huán)繞發(fā)射大。思考討論：有人說，第一宇宙速度也可用v=pgR(式中g(shù)為重力加速度，R為地球半徑)算出，你認(rèn)為正確嗎？參考答案：正確，因為在地面附近重力近似等于萬有引力即重力提供物體作圓周運動的向心力mv2mg=由此解出：&Rv=JgR=j9.8x6.4xl06m/s=7.9km/s思考：由v=J呱知高軌道上運行的衛(wèi)'r星，線速度小，能否說向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道要容易呢？參考答案：不能這樣說。這是因為如果發(fā)射速度小于7.9km/s，炮彈將落到地面，而不能成為一顆衛(wèi)星；發(fā)射速度等于7.9k

8、m/s，它將在地面附近作勻速圓周運動；要發(fā)射一顆半徑大于地球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須大于7.9km/s。學(xué)生思考討論推導(dǎo)第一宇宙速度學(xué)生思考討論鍛煉學(xué)生的計算能力，掌握在地面附近重力近似等于萬有引力理解向咼軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難?？梢?，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難。(4)第一宇宙速度意義第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度等于7.9km/s,這飛行器只能圍繞地球做圓周運動，還不能脫離地球引力的束縛，飛離地球?qū)崿F(xiàn)星際航行。二9畫g©思考：若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于學(xué)生思考討論了

9、解發(fā)射速度大于7.9km/s軌跡是橢圓，等于或大于11.2km/s，永遠(yuǎn)離開地球。7.9km/s，會出現(xiàn)什么情況？右衛(wèi)星的發(fā)射速度大于7.9km/s，繞地球運動的軌跡不再是圓，而是橢圓，發(fā)射速度越大，橢圓軌道越“扁”。當(dāng)飛行器的發(fā)射速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠(yuǎn)學(xué)生閱讀課離開地球。文鍛煉學(xué)生的自說出第二宇主學(xué)習(xí)能力宙速度和第11.2krtL's2、第一于宙速度大?。簐=11.2km/s。(1)當(dāng)飛行器的速度等于或大于11.2km/s時，它就會克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開地球。我們把11.2km/s叫作第二宇宙速度。三宇宙速度11/15(2)意義：使衛(wèi)星掙脫地球

10、的束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。注意：達到第二宇宙速度的飛行器還無法脫離太陽對它的引力。3、第三宇宙速度大?。簐=16.7km/s(1)當(dāng)物體的速度等于或大于16.7km/s時，物體可以掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間。我們把16.7km/s叫做第三宇宙速度。ll.Skms7.9kntJsA-<11.2kni'si6.7kni''s學(xué)生動手推導(dǎo)出衛(wèi)星運行時，其an、V、3、T，分別與其軌道半徑r的關(guān)系掌握推導(dǎo)過程，理解r越大an越小、v越小、3越小、T越大。(2) 意義：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速

11、度。(3) 注意：發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運動，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s,衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。思考：你能推導(dǎo)出衛(wèi)星運行時，其an、v、®、T,分別與其軌道半徑r的關(guān)系嗎？(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、衛(wèi)星牛頓雖然早就預(yù)言了人造地球衛(wèi)星，但因發(fā)射需達到很大的速度，所以直到多級火箭的研制成功，才為人造地球衛(wèi)星的發(fā)射創(chuàng)造了條件。出示圖片：第一顆人造地球衛(wèi)星1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。開創(chuàng)了人類航天時代的新紀(jì)元。1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)丿元。出示圖片：東方紅1號人造地球衛(wèi)星出示圖片：科學(xué)家錢學(xué)森科學(xué)家錢學(xué)森被譽為“中國航天之父”為我國航天事業(yè)作出特殊貝獻。出示圖片：地球上衛(wèi)星目前在軌有效運行的衛(wèi)星有上千顆，其閱讀課文了解人造地球衛(wèi)星學(xué)生理解記憶鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力掌握地球冋步衛(wèi)星的特點中的通信、導(dǎo)航、氣象等衛(wèi)星已

13、極大地改變了人類的生活。1、地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星位于赤道上方高度約36000km處，因相對地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星。2、特點周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相對于地面靜止。軌道一定：同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空；咼度一定：咼度約36000km；速率一一定；加速度一定。注意：月球不是地球的同步衛(wèi)星。例題：關(guān)于地球同步通訊衛(wèi)星，下列說法正確的是（）A. 若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍；B. 它以第一宇宙速度運行；C. 它以第二宇宙速度運行；D. 它繞地球運行時的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同。解：A、地球同步衛(wèi)星距離地球的咼度約為36000km，半徑一樣，所以各國發(fā)射的這種衛(wèi)星軌道半

14、徑都一樣，與質(zhì)量無關(guān)，故A錯誤；BC、地球同步衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為3.1千米/秒，小于7.9km/s，即小于第一宇宙速度與第二宇宙速度，故BC錯誤；D、同步衛(wèi)星是指與地球相對靜止的衛(wèi)星。這種衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動的角速度與地球自學(xué)生分析理解學(xué)生閱讀課文并觀看圖片。鞏固地球同步通訊衛(wèi)星的基本知識鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生感知人類探索宇宙的夢想，促使學(xué)生樹立獻身科學(xué)的人生價值轉(zhuǎn)的角度速度相冋，故D正確。故選：D.四、載人航天與太空探索出示圖片：蘇聯(lián)航天員加加林1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員加加林進入了東方號載人飛船。實現(xiàn)了人類進入太空的夢想。出示圖片：阿波羅11號飛船登月1969年7月16日9

15、時32分，運載阿波羅11號飛船的土星5號火箭在美國卡納維拉爾角點火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月20日下午10時56分，指揮長阿姆斯特朗踏上月面并說出了那句載入史冊的名言：“對個人來說，這不過是小小的一步，但對人類而言，卻是巨大的飛躍。出示圖片：人類在月球上留下了自己的足跡。我國的航天成就出示圖片：我國第一顆人造衛(wèi)星1970年4月24日我國第一顆人造衛(wèi)星升空。出示圖片：嫦娥一號2007年10月24日嫦娥一號月球探測器發(fā)射成功。出示圖片：嫦娥二號2010年10月1日嫦娥二號順利發(fā)射出示圖片：嫦娥三號2013年12月2日嫦娥三號探測器進入太空出示圖片：神舟五號觀。2003年10月1

16、5日神舟五號中國第一位航天員楊利偉出示圖片：神舟六號2005年10月12日神舟六號費俊龍聶海勝出示圖片：神舟七號2008年9月25日神舟七號翟志剛劉伯明景海鵬。出示圖片：神舟九號2012年6月16日神舟九號景海鵬劉洋劉旺出示圖片：神舟十號2013年6月11日神舟十號發(fā)射成功出示圖片：聶海勝張曉光王亞平除了載人航天工程，我國還在許多方面進行著太空探索。2013年6月，神舟十號分別完成與天宮一號空間站的手動和自動交會對接；2016年10月19日，神舟十號完成與天宮二號空間站的自動交會對接。2017年4月20日，我國又發(fā)射了貨運飛船天舟一號，入軌后與天宮二號空間站進行自動交會對接、自主快速交會對接等

17、3次交會對接及多項實驗。STSE航天事業(yè)改變著人類的生活閱讀課文了解航天事業(yè)對人類的生活有哪些改變。20世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)舉之一是開拓了太空這全新活動領(lǐng)域。通過衛(wèi)星實現(xiàn)越洋通話、實時收看世界各地發(fā)來的電視新聞，已經(jīng)成了人們生活的一部分，電視臺天學(xué)生閱讀課文說出航天事業(yè)對人類的生活有哪些改變。鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力鞏固所學(xué)的知氣預(yù)報節(jié)目中的衛(wèi)星云圖已使我們充分感受到氣象衛(wèi)星的威力。衛(wèi)星對地觀測技術(shù)將對我國西部開發(fā)的整體規(guī)劃和監(jiān)控發(fā)揮重要作用。我國通過返回式衛(wèi)星搭載稻種培育的高產(chǎn)稻“航育號”，已經(jīng)大面積推廣，人類已經(jīng)開始享用太空育種的優(yōu)良農(nóng)產(chǎn)品?？茖W(xué)漫步黑洞閱讀課文說一說黑洞的涵義。質(zhì)量非常大，半

18、徑又非常小，其逃逸速度非常大，以3X108m/s的速度傳播的光都不能逃逸，即使它確實在發(fā)光，光也不能進入太空，我們也根本看不到它。對于個質(zhì)量為m的球狀物體，當(dāng)其半徑R不大于2Gm/c2時這種天體稱為黑洞。課堂練習(xí)1、已知繞中心天體做勻速圓周運動的近地衛(wèi)星的軌道半徑為r,運動周期為T。則中心天體的平均密度p=。答案：3n/GT22、人造地球衛(wèi)星A和B的質(zhì)量之比為1:2，軌道半徑之比為2:1，它們受到地球的引力之比為，它們運行的線速度之比為，它們運行的周期之比為。答案：1:8；1:J2；2j2:l3、如圖所示，我國“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”由5顆靜止軌道衛(wèi)星（地球同步衛(wèi)星）和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，衛(wèi)

19、星軌道半徑大小不同，其運行速度、周期等參量也不學(xué)生練習(xí)識相同，下面說法正確的是（）A. 衛(wèi)星軌道半徑越大，環(huán)繞速度越大B. 衛(wèi)星的線速度可能大于7.9km/sC. 衛(wèi)星軌道半徑越小，向心加速度越大D. 衛(wèi)星軌道半徑越小，運動的角速度越小答案：C4. 據(jù)人民日報客戶端1月3日的報道，上午10點26分，嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面，完成了人類航天史上的一項壯舉，實現(xiàn)了人類第一次在月背軟著陸，成為2019年太空領(lǐng)域的“開門紅”。關(guān)于月球，下列說法正確的是（）A. 月球上地磁南極是地理的北極，和地球上相似；B. 月球上的重力加速度約是地球上的6倍；C. 地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約是地月距離的十分之一

20、；D. 月球的環(huán)繞速度要比地球同步衛(wèi)星的線速度要大。答案：C5、在地球上空有許多同步衛(wèi)星，下列關(guān)于地球多個同步衛(wèi)星的說法中正確的是（）A.它們的質(zhì)量可能不同B. 它們的速率可能不同C. 它們離地心的距離可能不同D. 它們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是繞地球做勻速圓周運動的兩顆人造地球衛(wèi)星，虛線為各自軌道，其中T為地球同步衛(wèi)星。由此可以判定（）JA. T衛(wèi)星可以相對地面靜止在天津的正上方B. T衛(wèi)星的運行周期小于S衛(wèi)星的運行周期C. T衛(wèi)星的運行速率大于S衛(wèi)星的運行速率D. T衛(wèi)星、S衛(wèi)星的運行速率均小于7.9km/s答案：D2. 如圖所示，a是赤道表面上一建鞏物，隨地球一起轉(zhuǎn)動，b是地面附近近地軌道上正常運行的衛(wèi)星，c、d兩衛(wèi)星在相同的軌道上（軌道平面跟赤道共面）且繞地球運行的方向一致、d在c的后面，則下