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2019-2020年高中物理 《飛出地球去》教案 滬科版必修2 一、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能： （1）了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)，正確理解人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，各物理量之間的關(guān)系。 （2）知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。 2、過程與方法： （1）通過用萬(wàn)有引力定律來推導(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。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： （1）通過介紹我國(guó)在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)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。 二、教學(xué)內(nèi)容剖析 1、 本節(jié)課的地位和作用： 本節(jié)內(nèi)容主要介紹了宇宙速度、人造地球衛(wèi)星、宇宙航天器等內(nèi)容，人們?cè)趹?yīng)用萬(wàn)有引力定律研究天體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人類的航天夢(mèng)想，為科學(xué)研究、人類生活服務(wù)方面做出巨大的貢獻(xiàn)。通過本節(jié)學(xué)習(xí)了解如下知識(shí)： (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, V=或V=,數(shù)值上V1=7.9km/s . (2)第二宇宙速度:克服地球引力,脫離地球的逃逸速度.V2=11.2km/s. (3)第三宇宙速度:在地面附近發(fā)射物體掙脫太陽(yáng)引力束縛的速度, V3=11.2km/s. 2、本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)： 對(duì)第一宇宙速度的推導(dǎo)過程和方法，了解第一宇宙速度的應(yīng)用領(lǐng)域。 3、本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)： 1、人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度的區(qū)別。 2、掌握有關(guān)人造衛(wèi)星計(jì)算及計(jì)算過程中的一些代換。 三、 教學(xué)思路與方法 這節(jié)內(nèi)容是萬(wàn)有引力理論的成就在生活中的應(yīng)用,與我們的生活密切相關(guān),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中感受到物理就在我們的身邊,與我們的生活時(shí)刻聯(lián)系在一起.從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)和生活、和社會(huì)聯(lián)系的思考，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生獻(xiàn)身科學(xué)的熱情，對(duì)學(xué)生科學(xué)價(jià)值觀的形成起到重要的作用。 四、 教學(xué)準(zhǔn)備 多媒體課件， 細(xì)線，塑料瓶。 課堂教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容 師生互動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖 備注 引入 地面上的物體，怎樣才能成為人造地球衛(wèi)星呢？ 300多年前，牛頓提出設(shè)想 放影片。 設(shè)地球質(zhì)量為M，半徑為R。人造地球衛(wèi)星在圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為m，軌道半徑為r。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的速度v如何推算？ 衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的速度越慢。 師：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(guó)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)，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)。衛(wèi)星在地球上空繞行時(shí)遵循這樣的規(guī)律，那衛(wèi)星是如何發(fā)射到地球上空的呢？ 師：牛頓設(shè)想在高山上有一門大炮，水平發(fā)射炮彈，初速度越大，水平射程就越大，可以想象當(dāng)初速度足夠大時(shí)，這顆炮彈將不會(huì)落到地面，將和月球一樣成為地球的一顆衛(wèi)星。 師：你思考這種設(shè)想可能么？ （學(xué)生思考） 生：可能，理由是當(dāng)物體的重力去充當(dāng)圓周運(yùn)動(dòng)的向心力的時(shí)候，物體可以成為衛(wèi)星，不過，這應(yīng)該需要很大的速度。 從衛(wèi)星等物理學(xué)歷史出發(fā)開始本節(jié)課的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 近地衛(wèi)星及第一宇宙速度 近地面的衛(wèi)星的速度是多少呢？ 這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的最低發(fā)射速度，叫做第一宇宙速度。 思考：我們能否發(fā)射一顆周期為70min的衛(wèi)星呢？ 提示 ：同學(xué)們算算，近地衛(wèi)星的周期又是多少呢？ 不能??！ 師：牛頓實(shí)驗(yàn)中，炮彈至少要以多大的速度發(fā)射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？地球半徑為6370km。 （生思考并計(jì)算） 生：在地面附近繞地球運(yùn)行，軌道半徑即為地球半徑。由萬(wàn)有引力提供向心力： ， 得出發(fā)射速度小于7.9km/s。 師：對(duì)，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7.9km/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?，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難。 師：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，所以也稱為環(huán)繞速度。在地面附近，物體的萬(wàn)有引力等于重力，此力天空衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，能否從這一角度來推導(dǎo)第一宇宙速度呢？ mg= mv2/r v= ≈7.9km/s 師：思考我們能否發(fā)射一顆周期為70min的人造地球衛(wèi)星呢？（提示：算一算近地衛(wèi)星其周期是多少？近地衛(wèi)星由于半徑最小，其運(yùn)行周期最大。） 生：不可以，當(dāng)運(yùn)行軌道為最小時(shí)，得出周期為84.5min。大于70min，所以不可以。 讓學(xué)生親歷知識(shí)的導(dǎo)出過程，體驗(yàn)成功的樂趣是新課程的重要理念．同時(shí)讓學(xué)生自己探究問題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)，同時(shí)也可以使他們養(yǎng)成善于運(yùn)動(dòng)知識(shí)的習(xí)慣 第二宇宙速度和第三宇宙速度，發(fā)射速度與運(yùn)行速度 第二宇宙速度 大小。 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，也稱為脫離速度。 第三宇宙速度 大?。?。 使衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度 1、發(fā)射速度：是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的速度。 ①宇宙速度均指發(fā)射速度 ②第一宇宙速度為在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是環(huán)繞地球運(yùn)行的最大速度 2、運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度。 第二宇宙速度 師：當(dāng)衛(wèi)星的速度達(dá)到11.2km/s，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，也稱為脫離速度。 發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡為橢圓；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。 師：當(dāng)發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，使衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 當(dāng)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16.7km/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。 師：發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無(wú)能量補(bǔ)充的衛(wèi)星，所以它的速度要多大？ （學(xué)生思考） 生：要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。 師：運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。那么它的速度有沒有極值？有是多大？ （思考與討論） 生：當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時(shí)，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。 通過推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題，探索問題，及最后得出結(jié)論。 地球同步衛(wèi)星 五、地球同步衛(wèi)星 1、所謂地球同步衛(wèi)星是指相對(duì)于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它的周期：T＝24h 2、所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個(gè)確定軌道上 ，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星離地面高度為定值。 思考：地球同步衛(wèi)星能否位于北京正上方某一確定高度h ？ 所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個(gè)確定軌道上。 注：為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約3左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆?？梢?，空間位置也是一種資源。 近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球三者比較 例題分析（雙星問題） 　　　 ①雙星的向心力大小相同 ②雙星的角速度相同 師：從地球的同步衛(wèi)星的定義中找出同步衛(wèi)星的特點(diǎn)： 生：同步衛(wèi)星與地面相對(duì)靜止，與地球自轉(zhuǎn)同步，周期為24h。 生：同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。 生：同步衛(wèi)星定點(diǎn)在赤道正上方，離地高度、運(yùn)行速率是唯一確定的。 師：萬(wàn)有引力提供衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力，而同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，所以其軌道平面必定與赤道平面重合，且所有同步衛(wèi)星都在赤道正上方。 師：思考地球同步衛(wèi)星能否位于北京正上方某一確定高度h ？ 生：所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個(gè)確定軌道上，而北京處在北半球 ，故上空一定不可能有同步衛(wèi)星。 師：設(shè)地球質(zhì)量M，半徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T，同步衛(wèi)星質(zhì)量m，離地高度h，請(qǐng)計(jì)算同步衛(wèi)星離地面的高度。 （學(xué)生計(jì)算） 生：由牛頓第二定律： ∴又 ∵ ∴ 可見：同步衛(wèi)星的離地高度、線速度大小是唯一確定的。代入具體數(shù)據(jù)可得。 雙星問題： 師：在天體運(yùn)動(dòng)中，將兩顆彼此距離較近，且相互繞行的行星稱為雙星。已知兩行星質(zhì)量分別為M1和M2，它們之間距離為L(zhǎng)，求各自運(yùn)轉(zhuǎn)半徑和角速度的關(guān)系怎樣？向心力由什么提供。 生：本題中，雙星之間有相互吸引力而保持距離不變，則這兩行星一定繞著兩物體連線上某點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)該點(diǎn)為O，如圖所示，M1OM2始終在一條直線，M1和M2角速度相等，它們之間萬(wàn)有引力提供向心力。 解：設(shè)M1離開O點(diǎn)的距離為R，則M2離開O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)-R，它們繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度均為ω，則有牛頓第二定律，對(duì)兩個(gè)行星分別有 師：雙星是一個(gè)整體，圍繞著它們的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，所以加速度ω相同，兩星之間由萬(wàn)有引力相維系，它們到質(zhì)心的距離與它們的質(zhì)量成反比。 培養(yǎng)學(xué)生通過分析，自己找到答案的能力。 例題 例1、鐵路轉(zhuǎn)彎處的圓弧半徑是300m，軌距是1435mm。規(guī)定火車通過這里的速度是72km/h，內(nèi)外軌的高度差應(yīng)該是多大才能使外軌不受輪緣的擠壓？保持內(nèi)外軌的這個(gè)高度差，如果車的速度大于或小于72km/h，會(huì)分別發(fā)生什么現(xiàn)象？說明理由。 析：火車在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力由火車所受的重力和軌道對(duì)火車支持力的合力提供，如圖所示： 例2、一輛汽車m=2.0103kg在水平公路上行駛，經(jīng)過半徑r=50m的彎路時(shí)，如果車速度v=72km/h，這輛汽車會(huì)不會(huì)發(fā)生事故？已知輪胎與路面間的最大靜摩擦力fm= 1.4104N。 析：這輛汽車經(jīng)過彎路時(shí)所需向心力 由地面的靜磨擦力提供據(jù)題意，最大靜摩擦力只為1.4104N，所以汽車會(huì)發(fā)生事故。 例3. 如圖甲、乙所示，質(zhì)量為m的物體，分別在半徑為R的凸形和凹形圓面上做圓周運(yùn)動(dòng)，到達(dá)圓面的頂端和底端時(shí)速度均為，分別求出物體對(duì)圓面的壓力。 解析 取球?yàn)檠芯繉?duì)象，受力如圖所示，則： ① ② 得： ， 由牛頓第三定律，物體對(duì)圓面的壓力： ，方向：指向圓心。，方向：背離圓心。 答案： ， 例題4、如圖所示被一細(xì)繩系住的小球質(zhì)量為50g，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑r=0.2m，小球轉(zhuǎn)數(shù)為120r/min，求小球受到的向心力的大小，并回答這一向心力是由什么力提供的。 解：n=120r/min=2r/s F向心力是由什么力提供的？ 分析小球的受力情況 F向心力指向圓心，即：G與N的合力指向圓心將T分解如圖所示 T2=G T1=F向心力 初步把握本節(jié)的知識(shí)，并用它來解決實(shí)際問題。不要空洞的說教，在實(shí)戰(zhàn)中了解、積累解決問題的經(jīng)驗(yàn)。印象深刻，避免不必要的重復(fù)學(xué)習(xí)。 小結(jié) 小結(jié)： 一、宇宙速度 1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度） v1=7.9km/s 2、第二宇宙速度（脫離速度） v2=11.2km/s 3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s 二、同步衛(wèi)星 1、周期T=24h 2、衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合 學(xué)生課后鞏固，總擴(kuò)本節(jié)的知識(shí)及內(nèi)容。 作業(yè) 作業(yè)： 1、航天事業(yè)正改變著人類的生活，請(qǐng)你到網(wǎng)上查閱，近幾年的航天大事的資料，闡述年的觀點(diǎn)，與同學(xué)交流。 2、做課后題目1、2、3。 通過上網(wǎng)查閱了解知識(shí)內(nèi)容，通過題目進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力，符合新課標(biāo)的理念。 視野拓展 宇宙航行 宇宙航行是以整個(gè)宇宙空間為活動(dòng)環(huán)境的，因此，我們必須對(duì)宇宙環(huán)境有一定的了解，就像汽車司機(jī)要了解道路環(huán)境，登山運(yùn)動(dòng)員要了解山地環(huán)境，航海人員要了解海洋環(huán)境一樣。 　　在人類進(jìn)入太空以前，對(duì)人才環(huán)境只能進(jìn)推測(cè)和理淪研究。與人類對(duì)飛天的向往一樣，人們構(gòu)想了美麗的“天堂”，便有“上有天堂，下有蘇杭”的比喻?，F(xiàn)在我們知道，如果“天堂”是指太空的話，就生存環(huán)境來說，那是極大的謬誤。 　　自宇宙大爆炸以后，隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低。雖然隨后有恒星向外輻射熱能，但恒星的數(shù)量是有限的，而且其壽命也是有限的，所以宇宙的總體溫度是逐漸下降的。經(jīng)過100多億年的歷程，太空已經(jīng)成為高寒的環(huán)境。對(duì)宇宙微波背景輻射（宇宙大爆炸時(shí)遺留在太空的輻射）的研究證明，太空的平均溫度為一270.3℃。 　　在太空中，不僅有宇宙大爆炸時(shí)留下的輻射，各種天體也向外輻射電磁波，許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線。例如，銀河系有銀河宇宙線輻射，太陽(yáng)有太陽(yáng)電磁輻射、太陽(yáng)宇宙線輻射（太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)向外發(fā)射的高能粒子）和太陽(yáng)風(fēng)（由太陽(yáng)日冕吹出的高能等離子體流）等。許多天體都有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)俘獲上述高能帶電粒了，形成輻射性很強(qiáng)的輻射帶，如在地球的上空，就有內(nèi)外兩個(gè)輻射帶。由此可見，太空還是一個(gè)強(qiáng)輻射環(huán)境。 　　宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氫和氦兩種元素，其中氫占3/4，氦占1/4。后來它們大多數(shù)逐漸凝聚成團(tuán)，形成星系和恒星。恒星中心的氫和氨遞次發(fā)生核聚變，生成氧、氮、碳等較重的元素。在恒星死亡時(shí)，剩下的大部分氫和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中主要的仍然是氫，但非常稀薄，每立方厘米只有0.l個(gè)氫原于，在星際分了云中稍多一此，每立方厘米約1萬(wàn)個(gè)左右。我們知道，在地球大氣層中，每立方厘米含有1010個(gè)氮和氧分子。由此可見，太空是一個(gè)高真空環(huán)境。