2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第5節(jié) 宇宙航行 教案三維目標(biāo)知識(shí)與技能1了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)；2知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。過程與方法通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。情感、態(tài)度與價(jià)值觀1通過介紹我國在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情；2感知人類探索宇宙的夢(mèng)想促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生價(jià)值觀。教學(xué)重點(diǎn)第一宇宙速度的推導(dǎo)。教學(xué)難點(diǎn)運(yùn)行速率與軌道半徑之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。教學(xué)方法探究、講授、討論、練習(xí)。教具準(zhǔn)備多媒體課件教學(xué)過程新課導(dǎo)入1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類航天時(shí)代的新紀(jì)元。我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星，掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)，1999年發(fā)射了“神舟”號(hào)試驗(yàn)飛船。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)人造衛(wèi)星已有所了解，那么地面上的物體在什么條件下才能成為人造衛(wèi)星呢？人造衛(wèi)星的軌道半徑和它的運(yùn)動(dòng)速率之間有什么關(guān)系呢？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)。新課教學(xué)一、人造地球衛(wèi)星1牛頓的設(shè)想在高山上用不同的水平初速度拋出一個(gè)物體，不計(jì)空氣阻力，它們的落地點(diǎn)相同嗎？它們的落地點(diǎn)不同，速度越大，落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)。因?yàn)樵谕蛔呱缴蠏伋?，它們?cè)诳罩羞\(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同，速度大的水平位移大，所以落地點(diǎn)也較遠(yuǎn)。假設(shè)被拋出物體的速度足夠大，物體的運(yùn)動(dòng)情形又如何呢？ 如果地面上空有一個(gè)相對(duì)于地面靜止的物體，它只受重力的作用，那么它就做自由落體運(yùn)動(dòng)，如果物體在空中具有一定的初速度，且初速度的方向與重力的方向垂直，那么它將做平拋運(yùn)動(dòng)，牛頓曾設(shè)想過：從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也一次比一次離山腳遠(yuǎn)，如果沒有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，簡稱人造衛(wèi)星。2人造地球衛(wèi)星（1）人造地球衛(wèi)星從地面拋出的物體，在地球引力的作用下繞地球旋轉(zhuǎn)，就成為繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。（2）人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。（3）描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的物理量設(shè)地球的質(zhì)量為M，衛(wèi)星的質(zhì)量為m，地球的半徑為R，衛(wèi)星離地面的高度為h，則衛(wèi)星的軌道半徑rRh，設(shè)衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)的向心加速度為a，線速度為v，角速度為，周期為T，根據(jù)萬有引力提供人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本力學(xué)關(guān)系，得：rMmFv衛(wèi)星的向心加速度，ra。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度，r。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度，rv。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期，rT。當(dāng)人造衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，rminR，Tmin5060s。所以不可能在地球上發(fā)射一顆周期是80min的衛(wèi)星。強(qiáng)調(diào)衛(wèi)星的軌道與相關(guān)各量的一一對(duì)應(yīng)性。二、宇宙速度設(shè)一顆人造衛(wèi)星沿圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力由地球的萬有引力來提供。由知，距地面越高的衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率越小?！舅伎加懻摗渴窍蚋哕壍腊l(fā)射困難，還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難呢？向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難，因?yàn)橄蚋哕壍腊l(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α?第一宇宙速度物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的環(huán)繞速度。對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑R，則7.9km/s 2第二宇宙速度如果衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s，此時(shí)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道又如何呢？當(dāng)人造衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s，而小于11.2 km/s，它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不是圓形，而是橢圓。當(dāng)物體的速度等于或大于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。(此時(shí)軌道為拋物線)從地面上發(fā)射人造天體，要使它脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行，所需要的最小發(fā)射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。11.2 km/s3第三宇宙速度達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。在地面附近發(fā)射一個(gè)物體，要使物體掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于16.7 km/s，這個(gè)速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度發(fā)射的人造天體，其軌道為雙曲線)從地面上發(fā)射人造天體，使它不僅能脫離地球的引力，而且還能脫離太陽系的引力束縛，這時(shí)所需要的最小發(fā)射速度，叫第三宇宙速度，也稱為逃逸速度。v316.7km/s三、同步衛(wèi)星簡介(向?qū)W生介紹有關(guān)衛(wèi)星的軌道問題：讓學(xué)生畫出他認(rèn)為可能的軌道，逐一分析，得出衛(wèi)星的軌道要想穩(wěn)定，軌道必須在通過地球球心的大圓軌道內(nèi)。介紹軌道平面、軌道傾角等概念；介紹極地軌道、赤道軌道等軌道類型)F1F2F同步衛(wèi)星是指相對(duì)于地球靜止，即始終在地球某一位置的正上方。因而，同步衛(wèi)星必須有一定的條件。首先，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向必須與地球的自轉(zhuǎn)方向一致，且和地球自轉(zhuǎn)的角速度要相同。 如圖所示，假定衛(wèi)星m在赤道上空以外的某空間隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)，其受力為地球?qū)λ娜f有引力F，將F分解為指向地軸的分力F1，該力作為衛(wèi)星隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力，另一分力為F2，實(shí)際中找不到與F2相平衡的力，所以衛(wèi)星將落向赤道平面，此時(shí)地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力全部作為向心力，所以同步衛(wèi)星只能定點(diǎn)在赤道上空。1地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)（1）衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星位于地球赤道的正上方，運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。（2）衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期相同，或角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同?！纠}】已知地球半徑R6400km，運(yùn)轉(zhuǎn)周期T24h243600s，地球質(zhì)量M5.981024kg，求同步衛(wèi)星的軌道高度h？解析：同步衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力同萬有引力提供，根據(jù)向心力公式有：代入數(shù)值解得：h3.6107m。（說明：可以用GMR2g來計(jì)算）2地球同步衛(wèi)星的“五定”定周期（運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點(diǎn)（每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。四、夢(mèng)想成真探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空，是人類自古以來的夢(mèng)想。真正為人類邁向太空提供科學(xué)思想的，是生于19世紀(jì)中葉的俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫斯基。他指出，利用噴氣推進(jìn)的多級(jí)火箭，是實(shí)現(xiàn)太空飛行最有效的工具。地球是人類的搖籃，但是人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里。齊奧爾科夫斯基1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6 kg，每96min繞地球飛行一圈。幾年之后，1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船?；鸺c(diǎn)火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時(shí)108 min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。1969年7月16日9時(shí)32分，阿波羅11號(hào)飛船在美國卡納維拉爾角點(diǎn)火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月19日，飛船進(jìn)入月球軌道。7月20日，指揮長阿姆斯特朗和駕駛員奧爾德林進(jìn)入登月艙，與母船分離后于下午4時(shí)17分在月面著陸。10時(shí)56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并說出了那句載入史冊(cè)的名言：“對(duì)個(gè)人來說，這不過是小小的一步，但對(duì)人類而言，卻是巨大的飛躍。”人們祝賀說：“由于你們的成功，天空已成為人類世界的一部分?！?992年，中國載人航天工程正式啟動(dòng)。2003年10月15日9時(shí)，我國神舟五號(hào)宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng)。這次成功的發(fā)射實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢(mèng)想，標(biāo)志著中國成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載入航天活動(dòng)的國家，為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結(jié)？地外文明在哪里？愛因斯坦曾經(jīng)說過：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對(duì)不解之謎?！蹦阆爰尤肫平馑男辛袉幔啃〗Y(jié)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們學(xué)習(xí)了繞地球飛行的衛(wèi)星情況，了解了描述衛(wèi)星的物理量的特點(diǎn)。知道了第一宇宙速度（環(huán)繞速度）v17.9km/s；第二宇宙速度（脫離速度）v211.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v316.7km/s。要區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度與衛(wèi)星進(jìn)入軌道后的環(huán)繞速度。布置作業(yè)教材第44頁“問題與練習(xí)”。板書設(shè)計(jì)5宇宙航行一、人造地球衛(wèi)星1牛頓的設(shè)想2人造地球衛(wèi)星（1）人造地球衛(wèi)星從地面拋出的物體，在地球引力的作用下繞地球旋轉(zhuǎn)，就成為繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。（2）人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。（3）描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的物理量rMmFv衛(wèi)星的向心加速度，ra。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度，r。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度，rv。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期，rT。二、宇宙速度1第一宇宙速度物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的環(huán)繞速度。對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑R，則7.9km/s 2第二宇宙速度從地面上發(fā)射人造天體，要使它脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行，所需要的最小發(fā)射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。11.2 km/s3第三宇宙速度從地面上發(fā)射人造天體，使它不僅能脫離地球的引力，而且還能脫離太陽系的引力束縛，這時(shí)所需要的最小發(fā)射速度，叫第三宇宙速度，也稱為逃逸速度。v316.7km/s三、同步衛(wèi)星簡介1地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)（1）衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星位于地球赤道的正上方，運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。（2）衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期相同，或角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。2地球同步衛(wèi)星的“五定”定周期（運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點(diǎn)（每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。四、夢(mèng)想成真