高中物理人教版 (新课标)必修25.宇宙航行教案

这是一份高中物理人教版 (新课标)必修25.宇宙航行教案，共10页。教案主要包含了教学目标，教学内容剖析，地球同步卫星等内容，欢迎下载使用。

一、教学目标
1、知识与技能：
（1）了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。
（2）知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
2、过程与方法：
（1）通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。
3、情感态度与价值观：
（1）通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。
（2）感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。
二、教学内容剖析
本节课的地位和作用：
本节内容主要介绍了宇宙速度、人造地球卫星、宇宙航天器等内容，人们在应用万有引力定律研究天体运动的基础上，实现人类的航天梦想，为科学研究、人类生活服务方面做出巨大的贡献。通过本节学习了解如下知识：
(1)第一宇宙速度:物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度, V=或V=,数值上V1=7.9km/s .
(2)第二宇宙速度:克服地球引力,脱离地球的逃逸速度.V2=11.2km/s.
(3)第三宇宙速度:在地面附近发射物体挣脱太阳引力束缚的速度, V3=11.2km/s.
2、本节课教学重点：
对第一宇宙速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。
3、本节课教学难点：
1、人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。
2、掌握有关人造卫星计算及计算过程中的一些代换。
教学思路与方法
这节内容是万有引力理论的成就在生活中的应用,与我们的生活密切相关,让学生在学习物理的过程中感受到物理就在我们的身边,与我们的生活时刻联系在一起.从而引导学生进行科学和生活、和社会联系的思考，培养学生学习物理的兴趣，激发学生献身科学的热情，对学生科学价值观的形成起到重要的作用。
教学准备
多媒体课件， 细线，塑料瓶。
课堂教学设计
视野拓展
宇宙航行
宇宙航行是以整个宇宙空间为活动环境的，因此，我们必须对宇宙环境有一定的了解，就像汽车司机要了解道路环境，登山运动员要了解山地环境，航海人员要了解海洋环境一样。
在人类进入太空以前，对人才环境只能进推测和理沦研究。与人类对飞天的向往一样，人们构想了美丽的“天堂”，便有“上有天堂，下有苏杭”的比喻。现在我们知道，如果“天堂”是指太空的话，就生存环境来说，那是极大的谬误。
自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。虽然随后有恒星向外辐射热能，但恒星的数量是有限的，而且其寿命也是有限的，所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经过100多亿年的历程，太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射）的研究证明，太空的平均温度为一270.3℃。
在太空中，不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒子，形成宇宙射线。例如，银河系有银河宇宙线辐射，太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射（太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子）和太阳风（由太阳日冕吹出的高能等离子体流）等。许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒了，形成辐射性很强的辐射带，如在地球的上空，就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射环境。
宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氢和氦两种元素，其中氢占3/4，氦占1/4。后来它们大多数逐渐凝聚成团，形成星系和恒星。恒星中心的氢和氨递次发生核聚变，生成氧、氮、碳等较重的元素。在恒星死亡时，剩下的大部分氢和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中主要的仍然是氢，但非常稀薄，每立方厘米只有0.l个氢原于，在星际分了云中稍多一此，每立方厘米约1万个左右。我们知道，在地球大气层中，每立方厘米含有1010个氮和氧分子。由此可见，太空是一个高真空环境。
教学环节
教学内容
师生互动
设计意图
备注
引入
地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢？
300多年前，牛顿提出设想
放影片。
设地球质量为M，半径为R。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r。那么，在该轨道上做匀速圆周运动的卫星的速度v如何推算？
卫星离地心越远，它运行的速度越慢。
师：1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天时代的新纪元。我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不同种类的卫星，掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术，99年发射了“神舟”号试验飞船。这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。卫星在地球上空绕行时遵循这样的规律，那卫星是如何发射到地球上空的呢？
师：牛顿设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。
师：你思考这种设想可能么？
（学生思考）
生：可能，理由是当物体的重力去充当圆周运动的向心力的时候，物体可以成为卫星，不过，这应该需要很大的速度。
从卫星等物理学历史出发开始本节课的学习，激发学生的学习热情。
近地卫星及第一宇宙速度
近地面的卫星的速度是多少呢？
这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，叫做第一宇宙速度。
思考：我们能否发射一颗周期为70min的卫星呢？
提示 ：同学们算算，近地卫星的周期又是多少呢？
不能！！
师：牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？地球半径为6370km。
（生思考并计算）
生：在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。由万有引力提供向心力：
，
得出发射速度小于7.9km/s。
师：对，如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。
师：第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。在地面附近，物体的万有引力等于重力，此力天空卫星做圆周运动的向心力，能否从这一角度来推导第一宇宙速度呢？
mg= mv2/r
v= ≈7.9km/s
师：思考我们能否发射一颗周期为70min的人造地球卫星呢？（提示：算一算近地卫星其周期是多少？近地卫星由于半径最小，其运行周期最大。）
生：不可以，当运行轨道为最小时，得出周期为84.5min。大于70min，所以不可以。
让学生亲历知识的导出过程，体验成功的乐趣是新课程的重要理念．同时让学生自己探究问题，可以激发学生的学习兴趣与动机，同时也可以使他们养成善于运动知识的习惯
第二宇宙速度和第三宇宙速度，发射速度与运行速度
第二宇宙速度
大小。
使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
第三宇宙速度
大小：。
使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
人造卫星的发射速度与运行速度
1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。
①宇宙速度均指发射速度
②第一宇宙速度为在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度
2、运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。
第二宇宙速度
师：当卫星的速度达到11.2km/s，使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。
发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。
师：当发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。
当发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。
师：发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充的卫星，所以它的速度要多大？
（学生思考）
生：要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。
师：运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。那么它的速度有没有极值？有是多大？
（思考与讨论）
生：当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。
通过推导发现问题，探索问题，及最后得出结论。
地球同步卫星
五、地球同步卫星
1、所谓地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自转，同步地做匀速圆周运动，它的周期：T＝24h
2、所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上 ，即同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星离地面高度为定值。
思考：地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h ？
所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上。
注：为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。
近地卫星、同步卫星、月球三者比较
例题分析（双星问题）
①双星的向心力大小相同
②双星的角速度相同
师：从地球的同步卫星的定义中找出同步卫星的特点：
生：同步卫星与地面相对静止，与地球自转同步，周期为24h。
生：同步卫星的运行方向与地球自转方向相同。
生：同步卫星定点在赤道正上方，离地高度、运行速率是唯一确定的。
师：万有引力提供卫星运转的向心力，而同步卫星与地球自转同步，所以其轨道平面必定与赤道平面重合，且所有同步卫星都在赤道正上方。
师：思考地球同步卫星能否位于北京正上方某一确定高度h ？
生：所有的同步卫星只能分布在赤道上方的一个确定轨道上，而北京处在北半球 ，故上空一定不可能有同步卫星。
师：设地球质量M，半径为R，自转周期为T，同步卫星质量m，离地高度h，请计算同步卫星离地面的高度。
（学生计算）
生：由牛顿第二定律： ∴又
∵
∴
可见：同步卫星的离地高度、线速度大小是唯一确定的。代入具体数据可得。
双星问题：
师：在天体运动中，将两颗彼此距离较近，且相互绕行的行星称为双星。已知两行星质量分别为M1和M2，它们之间距离为L，求各自运转半径和角速度的关系怎样？向心力由什么提供。
生：本题中，双星之间有相互吸引力而保持距离不变，则这两行星一定绕着两物体连线上某点做匀速圆周运动，设该点为O，如图所示，M1OM2始终在一条直线，M1和M2角速度相等，它们之间万有引力提供向心力。
解：设M1离开O点的距离为R，则M2离开O点的距离为L-R，它们绕O点转动的加速度均为ω，则有牛顿第二定律，对两个行星分别有
师：双星是一个整体，围绕着它们的质心转动，所以加速度ω相同，两星之间由万有引力相维系，它们到质心的距离与它们的质量成反比。
培养学生通过分析，自己找到答案的能力。
例题
例1、铁路转弯处的圆弧半径是300m，轨距是1435mm。规定火车通过这里的速度是72km/h，内外轨的高度差应该是多大才能使外轨不受轮缘的挤压？保持内外轨的这个高度差，如果车的速度大于或小于72km/h，会分别发生什么现象？说明理由。
析：火车在转弯时所需的向心力由火车所受的重力和轨道对火车支持力的合力提供，如图所示：
例2、一辆汽车m=2.0×103kg在水平公路上行驶，经过半径r=50m的弯路时，如果车速度v=72km/h，这辆汽车会不会发生事故？已知轮胎与路面间的最大静摩擦力fm= 1.4×104N。
析：这辆汽车经过弯路时所需向心力
由地面的静磨擦力提供据题意，最大静摩擦力只为1.4×104N，所以汽车会发生事故。
例3. 如图甲、乙所示，质量为m的物体，分别在半径为R的凸形和凹形圆面上做圆周运动，到达圆面的顶端和底端时速度均为，分别求出物体对圆面的压力。
解析 取球为研究对象，受力如图所示，则：
① ②
得：
，
由牛顿第三定律，物体对圆面的压力：
，方向：指向圆心。，方向：背离圆心。
答案：
，
例题4、如图所示被一细绳系住的小球质量为50g，小球在水平面内做匀速圆周运动，半径r=0.2m，小球转数为120r/min，求小球受到的向心力的大小，并回答这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？
分析小球的受力情况
F向心力指向圆心，即：G与N的合力指向圆心将T分解如图所示
T2=G
T1=F向心力
初步把握本节的知识，并用它来解决实际问题。不要空洞的说教，在实战中了解、积累解决问题的经验。印象深刻，避免不必要的重复学习。
小结
小结：
一、宇宙速度
1、第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s
2、第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s
3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s
二、同步卫星
1、周期T=24h
2、卫星轨道平面与地球赤道平面重合
学生课后巩固，总扩本节的知识及内容。
作业
作业：
1、航天事业正改变着人类的生活，请你到网上查阅，近几年的航天大事的资料，阐述年的观点，与同学交流。
2、做课后题目1、2、3。
通过上网查阅了解知识内容，通过题目进一步巩固学习的内容，增强学生的自学能力，符合新课标的理念。