高中物理必修二第7章第4節(jié)宇宙航行律教學(xué)設(shè)計(jì)

1、21世紀(jì)教育網(wǎng) 精品試卷第 PAGE 2 頁(yè) （共 NUMPAGES 2 頁(yè)）人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計(jì)課題 宇宙航行單元7學(xué)科物理年級(jí)高一教材分析本節(jié)課所采用的教材是人教版高中物理必修2第七章第4節(jié)的內(nèi)容,本節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類(lèi)征服自然的見(jiàn)證，體現(xiàn)了知識(shí)的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識(shí)的一個(gè)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(shí)際物理問(wèn)題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬(wàn)有引力定律與航天”中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問(wèn)題的理論基礎(chǔ)

2、。另外，學(xué)生通過(guò)對(duì)人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛(ài) ，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。來(lái)源教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一、教學(xué)目標(biāo)1.通過(guò)閱讀課本資料了解牛頓對(duì)人造衛(wèi)星的猜想、外推的思路和思想，能寫(xiě)出第一宇宙速度的推導(dǎo)過(guò)程。2.通過(guò)第一宇宙速度的推導(dǎo)總結(jié)，能說(shuō)出人造地球衛(wèi)星的原理及運(yùn)行規(guī)律。3.通過(guò)閱讀教材第二部分，能夠介紹世界和我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展歷史，感知人類(lèi)探索宇宙的夢(mèng)想，激發(fā)愛(ài)國(guó)熱情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感二、核心素養(yǎng)物理觀(guān)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(yùn)行規(guī)律，具備清晰的物理觀(guān)念?？茖W(xué)思維：能在熟悉的情境中運(yùn)用物理模型，能對(duì)衛(wèi)星發(fā)射原理進(jìn)行分析和推理。科學(xué)探

3、究：能在對(duì)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(xiàn)，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)星的發(fā)射原理是人類(lèi)在萬(wàn)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(lèi)對(duì)宇宙奧秘探索的歷程，增強(qiáng)民族自信心自豪感。重點(diǎn)第一宇宙速度的推導(dǎo)。難點(diǎn)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(guò)程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖導(dǎo)入新課出示視頻：神六的發(fā)射過(guò)程教師講解：我國(guó)在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來(lái)，相繼發(fā)射了多顆不同種類(lèi)的衛(wèi)星。掌握 了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)，99年發(fā)射了“神舟”號(hào)試驗(yàn)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(shí)。學(xué)生觀(guān)看視頻了解衛(wèi)星的發(fā)射 為引出本節(jié)課題做

4、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：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)；拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。出示動(dòng)畫(huà)：拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)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(kāi)地球進(jìn)行宇宙航行呢？物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)的作用可以忽略。只受到地球?qū)λ娜f(wàn)有引力作用，人造衛(wèi)星作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬(wàn)有引力提供。用萬(wàn)有引力定律就可求解。例1：當(dāng)衛(wèi)星在地面附近繞地球運(yùn)行時(shí)，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(qǐng)推導(dǎo)衛(wèi)星繞地球運(yùn)

5、行時(shí)v的表達(dá)式。（2）已知=6.6710-11N m2/kg2 , 地球質(zhì)量M=5.891024kg, 地球半徑R=6400km6.4106m，求衛(wèi)星繞地球運(yùn)行時(shí)速度v的大小是多少？解：萬(wàn)有引力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。由此解出： 近地衛(wèi)星在 100200 km的高度飛行，遠(yuǎn)小于地球半徑（6400km），可以近似用地球半徑 R 代替衛(wèi)星到地心的距離 r。 =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(yùn)動(dòng)的速度，叫作第一宇宙速度。v=7.9km/s（2）人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與環(huán)繞速度發(fā)射速度: 指被發(fā)射物體離開(kāi)地面時(shí)的速度。環(huán)繞速度： 指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球

6、轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度。（3）對(duì)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)星將落回地面而不能繞地球運(yùn)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勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度。由知，衛(wèi)星軌道半徑為r越大，v環(huán)繞越小，但需要的發(fā)射速度v發(fā)射越大。思考討論：有人說(shuō)，第一宇宙速度也可用（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?yàn)樵诘孛娓浇亓频扔谌f(wàn)有引力即重力提供物體作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由此解出：思考：由知高軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，線(xiàn)速度小，能否說(shuō)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(shuō)。這是因?yàn)槿绻l(fā)射速度小于7.9km/s，炮彈將

7、落到地面，而不能成為一顆衛(wèi)星；發(fā)射速度等于7.9km/s，它將在地面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；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?？梢?jiàn)，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(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，所以也稱(chēng)為環(huán)繞速度。在地面附近發(fā)射飛行器，如果速度等于 7.9 km/s，這一飛行器只能?chē)@地球做圓周運(yùn)動(dòng)，還不能脫離地球引力的束縛，飛離地球?qū)崿F(xiàn)星際航行。思考: 若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于 7.9km/s ，會(huì)出現(xiàn)什么情況？若衛(wèi)星的發(fā)射速度大于 7.9km/s，繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡不再是圓，而是橢圓，發(fā)射速

8、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11.2 km/s 時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球。2、第二宇宙速度大?。簐=11.2km/s。（1）當(dāng)飛行器的速度等于或大于 11.2 km/s 時(shí)，它就會(huì)克服地球的引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球。我們把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度。（2）意義：使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱(chēng)為脫離速度。注意：達(dá)到第二宇宙速度的飛行器還無(wú)法脫離太陽(yáng)對(duì)它的引力。3、第三宇宙速度大小:v=16.7km/s（1）當(dāng)物體的速度等于或大于16.7km/s時(shí)，物體可以?huà)昝撎?yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間。我們把16.7k

9、m/s叫做第三宇宙速度。（2）意義：使衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱(chēng)為逃逸速度。（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(yáng)作橢圓運(yùn)動(dòng)，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于1 6.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的空間。思考：你能推導(dǎo)出衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，其an、v、 、T，分別與其軌道半徑r的關(guān)系嗎？（1）解得 r越大，an越?。?）解得r越大，v越?。?）解得 r越大，越?。?）解得 r越大，T越大三、人造地球衛(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(dá)到很大的速度，所以直到多級(jí)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

10、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(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)航天時(shí)代的新紀(jì)元。1970 年 4 月 24 日，我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅 1 號(hào)”發(fā)射成功，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)航天史的新紀(jì)元。出示圖片:東方紅 1 號(hào)人造地球衛(wèi)星出示圖片:科學(xué)家錢(qián)學(xué)森科學(xué)家錢(qián)學(xué)森被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”為我國(guó)航天事業(yè)作出特殊貢獻(xiàn).出示圖片:地球上衛(wèi)星目前在軌有效運(yùn)行的衛(wèi)星有上千顆，其中的通信、導(dǎo)航、氣象等衛(wèi)星已極大地改變了人類(lèi)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 36000 km 處，因相對(duì)地面靜止，也稱(chēng)靜止衛(wèi)星。2、特點(diǎn)周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相對(duì)于地面

11、靜止。軌道一定：同步衛(wèi)星軌道必須在赤道上空；高度一定:高度約 36000 km；速率一定；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(shuō)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(yùn)行; C它以第二宇宙速度運(yùn)行; D它繞地球運(yùn)行時(shí)的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同。解：A、地球同步衛(wèi)星距離地球的高度約為36000 km，半徑一樣，所以各國(guó)發(fā)射的這種衛(wèi)星軌道半徑都一樣，與質(zhì)量無(wú)關(guān)，故A錯(cuò)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(cuò)誤；D、同步衛(wèi)星是指與地球相對(duì)靜止的衛(wèi)星

12、。這種衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角度速度相同，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(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船。實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)進(jìn)入太空的夢(mèng)想。出示圖片:阿波羅 11 號(hào)飛船登月1969 年 7 月 16 日 9 時(shí) 32 分，運(yùn)載阿波羅 11 號(hào)飛船的土星 5 號(hào)火箭在美國(guó)卡納維拉爾角點(diǎn)火升空，拉開(kāi)人類(lèi)登月這一偉大歷史事件的帷幕。7 月 20 日下午 10 時(shí) 56 分，指揮長(zhǎng)阿姆斯特朗踏上月面并說(shuō)出了那句載入史冊(cè)的名言：“對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)，這不過(guò)是小小的一步，但對(duì)人類(lèi)而言，卻是巨大的飛躍。出示圖片:人類(lèi)在月球上留下了自己

13、的足跡。我國(guó)的航天成就出示圖片：我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星1970年4月24日我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星升空。出示圖片：嫦娥一號(hào)2007年10月24日嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器發(fā)射成功。出示圖片：嫦娥二號(hào)2010年10月1日嫦娥二號(hào)順利發(fā)射出示圖片：嫦娥三號(hào)2013年12月2日嫦娥三號(hào)探測(cè)器進(jìn)入太空出示圖片：神舟五號(hào)2003年10月15日神舟五號(hào)中國(guó)第一位航天員楊利偉出示圖片：神舟六號(hào)2005年10月12日神舟六號(hào)費(fèi)俊龍 聶海勝出示圖片：神舟七號(hào)2008年9月25日神舟七號(hào)翟志剛 劉伯明 景海鵬。出示圖片：神舟九號(hào)2012年6月16日神舟九號(hào)景海鵬 劉洋 劉旺出示圖片：神舟十號(hào)2013年6月11日神舟十號(hào)發(fā)射成功出示

14、圖片：聶海勝 張曉光 王亞平除了載人航天工程，我國(guó)還在許多方面進(jìn)行著太空探索。2013 年 6 月，神舟十號(hào)分別完成與天宮一號(hào)空間站的手動(dòng)和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接；2016 年 10 月 19 日，神舟十一號(hào)完成與天宮二號(hào)空間站的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。2017 年4 月 20 日，我國(guó)又發(fā)射了貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)，入軌后與天宮二號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接、自主快速交會(huì)對(duì)接等 3次交會(huì)對(duì)接及多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。STSE 航天事業(yè)改變著人類(lèi)的生活閱讀課文了解航天事業(yè)對(duì)人類(lèi)的生活有哪些改變。20 世紀(jì)人類(lèi)最偉大的創(chuàng)舉之一是開(kāi)拓了太空這一全新活動(dòng)領(lǐng)域。通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)越洋通話(huà)、實(shí)時(shí)收看世界各地發(fā)來(lái)的電視新聞，已經(jīng)成了人們生活的一部分，電視

15、臺(tái)天氣預(yù)報(bào)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(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)將對(duì)我國(guó)西部開(kāi)發(fā)的整體規(guī)劃和監(jiān)控發(fā)揮重要作用。我國(guó)通過(guò)返回式衛(wèi)星搭載稻種培育的高產(chǎn)稻“航育一號(hào)”，已經(jīng)大面積推廣，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)始享用太空育種的優(yōu)良農(nóng)產(chǎn)品。科學(xué)漫步 黑洞閱讀課文說(shuō)一說(shuō)黑洞的涵義。質(zhì)量非常大，半徑又非常小，其逃逸速度非常大，以 3 10 8 m/s 的速度傳播的光都不能逃逸，即使它確實(shí)在發(fā)光，光也不能進(jìn)入太空，我們也根本看不到它。對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為 m的球狀物體，當(dāng)其半徑R不大于2Gm/c2時(shí)這種天體稱(chēng)為黑洞。課堂練習(xí)1、已知繞中心天體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的近地衛(wèi)星的軌道半徑為r，運(yùn)動(dòng)周期為T(mén)則中心天體的平均密度=。

16、答案： 3/ 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(yùn)行的線(xiàn)速度之比為，它們運(yùn)行的周期之比為。答案： 1：8； ； 3、如圖所示，我國(guó)“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)星軌道半徑大小不同，其運(yùn)行速度、周期等參量也不相同，下面說(shuō)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(xiàn)速度可能大于7.9km/s C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(yùn)動(dòng)的角速度越小答案：C4據(jù)人民日?qǐng)?bào)客戶(hù)端1月3日的報(bào)道，上午10點(diǎn)26分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功著陸在月球背面，完成了人類(lèi)

17、航天史上的一項(xiàng)壯舉，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)第一次在月背軟著陸，成為2019年太空領(lǐng)域的“開(kāi)門(mén)紅”。關(guān)于月球，下列說(shuō)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； D月球的環(huán)繞速度要比地球同步衛(wèi)星的線(xiàn)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(gè)同步衛(wèi)星的說(shuō)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(yùn)動(dòng)的兩顆人造地球衛(wèi)星，虛線(xiàn)為各自軌道，其中T為地球同步衛(wèi)星。由此

18、可以判定（）AT衛(wèi)星可以相對(duì)地面靜止在天津的正上方 BT衛(wèi)星的運(yùn)行周期小于S衛(wèi)星的運(yùn)行周期 CT衛(wèi)星的運(yùn)行速率大于S衛(wèi)星的運(yùn)行速率 DT衛(wèi)星、S衛(wèi)星的運(yùn)行速率均小于7.9km/s答案：D2如圖所示，a是赤道表面上一建筑物，隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，b是地面附近近地軌道上正常運(yùn)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(yùn)行的方向一致、d在c的后面，則下列說(shuō)法中正確的是（）A衛(wèi)星b所需的向心力可能小于衛(wèi)星c所需的向心力 B衛(wèi)星c的線(xiàn)速度小于a的線(xiàn)速度 C衛(wèi)星b運(yùn)行的線(xiàn)速度可能大于地球第一宇宙速度 D衛(wèi)星d加速后可追上c答案：A3、關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是（）A穩(wěn)定運(yùn)行軌道可

19、以位于重慶正上方 B穩(wěn)定運(yùn)行的線(xiàn)速度小于7.9km/s C運(yùn)行軌道可高可低，軌道越高，繞地球運(yùn)行一周所用時(shí)間越長(zhǎng) D若衛(wèi)星質(zhì)量加倍，運(yùn)行高度將降低一半答案：B學(xué)生觀(guān)察思考掌握速度越大，落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)，拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面學(xué)生根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和萬(wàn)有引力定律計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)行速度。學(xué)生記憶理解學(xué)生思考討論推導(dǎo)第一宇宙速度學(xué)生思考討論學(xué)生思考討論學(xué)生閱讀課文說(shuō)出第二宇宙速度和第三宇宙速度學(xué)生動(dòng)手推導(dǎo)出衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，其an、v、 、T，分別與其軌道半徑r的關(guān)系閱讀課文了解人造地球衛(wèi)星學(xué)生理解記憶學(xué)生分析理解學(xué)生閱讀課文并觀(guān)看圖片。學(xué)生閱讀課文說(shuō)出航天事業(yè)對(duì)人類(lèi)的生活有哪些改變。學(xué)生練習(xí)以學(xué)過(guò)的平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)引入到人造地球衛(wèi)星知識(shí)的學(xué)習(xí)，不但使學(xué)生了解科學(xué)探索的過(guò)程，更讓學(xué)生體會(huì)到尖端科學(xué)的最初設(shè)想都是從已知的簡(jiǎn)單科學(xué)知識(shí)出發(fā)的。建立學(xué)生清晰的物理分析思路。學(xué)生常常對(duì)環(huán)繞速度與發(fā)射速度不區(qū)分，因此對(duì)這部分的強(qiáng)調(diào)十