高中物理人教版 (新课标)必修25.宇宙航行精品教学设计

www.gkstk.com5  宇宙航行

文本式教学设计

整体设计

    本节重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度.人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材.教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法.因此本节课是“万有引力定律与航天”中的重要内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础.另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感.

    本节内容涉及人造卫星的运动规律和三个宇宙速度的含义，在处理有关卫星的问题时，可以按匀速圆周运动模型处理，进而结合向心力公式、向心加速度公式及圆周运动公式，推导已知量和未知量的关系.学习宇宙速度时，要对比记忆，明确其物理意义.应掌握推导过程，体会推导第一宇宙速度的物理思想，另外，结合向心运动或离心运动分析卫星轨道如何变化或改变的原因.

教学重点

    会推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度.

教学难点

    运行速率与轨道半径之间的关系.

课时安排

    1课时

三维目标

知识与技能

1.了解人造卫星的有关知识.

2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.

3.通过实例，了解人类对太空的探索历程.

过程与方法

1.能通过航天事业的发展史说明物理学的发展对于自然科学的促进作用.

2.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力.

情感态度与价值观

1.通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义的教育.

2.关心国内外航空航天事业的发展现状与趋势，有将科学技术服务于人类的意识.

课前准备

    多媒体课件、月球绕地球转动演示仪.

教学过程

导入新课

情景导入

阿波罗飞船载人登月和返回地球的轨道示意图

    经火箭发射，“阿波罗11号”首先进入环绕地球的轨道，然后加速，脱离地球轨道后，惯性滑行，进入环绕月球的轨道，最后登月舱降落在月球.

    当宇航员在月球上完成工作后，再发动引擎进入环月球的轨道，然后加速，脱离月球轨道，进入地球轨道，最后降落于地球.

    结合登月航线讨论：为什么飞船能围绕地球旋转？飞船在什么条件下能挣脱地球的束缚？

情景导入

    万有引力定律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路.

    现代火箭航天技术先驱、俄国科学家齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮，人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间.”1957年10月4日，前苏联用三级火箭发射了世界上第一颗人造地球卫星——“旅行者1号”，人类开始迈入航天时代.

火箭发射

    2003年10月15日，“神舟五号”飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，这标志着我国进入了载人航天时代.

    那么，多大的速度才能使物体不再落回地面，而使其成为地球的一颗卫星呢？

情景导入

    牛顿在思考万有引力定律时就曾经想过，从高山上水平抛出的物体速度一次比一次大时，落点就一次比一次远.如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，这就是人造地球卫星的雏形.那么这个速度需要多大呢？

    学习本节内容之后便可解决上述问题了.

推进新课

一、宇宙速度

课案片段一：人造地球卫星

课件展示

1.人造卫星发射及其在圆形轨道上的运动.

2.演示月球绕地球转动.

问题：1.抛出的石头会落地，为什么卫星、月球没有落下来？

2.卫星、月球没有落下来必须具备什么条件？

学生带着这两个问题阅读教材“宇宙速度”部分.

策略：教师不要急于让学生回答上述两个问题，提出这两个问题的目的是让学生带着问题去阅读课文，具有针对性，而且这两个问题可激发学生学习的兴趣.

教师活动：演示抛物实验，提出问题：

1.平抛物体的速度逐渐增大，物体的落地点如何变化？

2.速度达到一定值后，物体能否落回地面？

3.若不能，此速度必须满足什么条件？

4.若此速度再增大，又会出现什么现象？

组织学生讨论、交流，大胆猜测.

结论：1.平抛物体的速度逐渐增大，物体的落地点逐渐变大.

2.速度达到一定值后，物体将不再落回地面.

3.物体不落回地面时环绕地面做圆周运动，所受地面的引力恰好用来提供向心力，满足.

4.若此速度再增大，物体不落回地面，也不再做匀速圆周运动，万有引力不能提供所需要的向心力，从而做离心运动，轨道为椭圆轨道.

合作探究

    教师引导学生共同探究出：

1.人造卫星：物体绕地球做圆周运动时，此物体成为地球的卫星.

2.卫星轨道：可以是圆轨道，也可以是椭圆轨道.

    卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心.卫星的轨道平面可以在赤道平面内（如同步卫星），也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度.

    卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律.

3.卫星的种类：

    卫星主要有侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类.

4.卫星的运行：

    卫星在轨道上运行时，卫星的轨道可视为圆形，这样卫星受到的万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力.

    设卫星的轨道半径为r，线速度大小为v，角速度为ω，周期为T，向心加速度为a.

    根据万有引力定律与牛顿第二定律得=ma==mrω2=

所以，卫星运行速度、角速度、周期和半径的关系分别为：v=,ω=,T=.

例1  在圆轨道上质量为m的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球半径R，地面上的重力加速度为g，则（    ）

A.卫星运行的速度为              B.卫星运行的周期为

C.卫星的加速度为                  D.卫星的动能为

解析：万有引力充当向心力，有

又g=

故v=,A错.T=,B对.

a=,C错.Ek=,D对.

答案：BD

总结：卫星问题的求解，应知道万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力.地球表面的重力加速度g=,当M未知时，可用其代换.由于g=经常用到，所以叫“黄金公式”.

点评：运用现代教育信息技术，把人类第一颗卫星发射场景，我国卫星发射、回收等有关资料片段重现在学生面前，给学生大量的生动的直观感受，使学生的思维在直观情景中由感性具体上升到思维抽象，准确地得到人造卫星的概念.

课堂训练

    有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比r1∶r2=4∶1,求这两颗卫星的：（1）线速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比.

参考答案：

解答：（1）由

得v=

所以v1∶v2=1∶2.

（2）由=mω2r

得ω=

所以ω1∶ω2=1∶8.

（3）由T=

得T1∶T2=8∶1.

（4）由=ma

得a1∶a2=1∶16.

课案片段二：三个宇宙速度

教师活动：提出问题，让学生带着问题去阅读课文，思考问题，交流讨论，解决问题.

问题：1.什么是第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度？

2.第一宇宙速度是如何推导出来的？

3.将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？

4.所需的发射速度，哪一个更大？为什么？

5.发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说明什么？卫星运转速度大又说明什么？

学生阅读课文，思考、讨论，学生代表发言：

结论：1.第一宇宙速度：人造卫星近地环绕速度，是人造地球卫星的最小发射速度，v1=7.9 km/s.

第二宇宙速度：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运行的人造卫星或飞到其他行星上去所必须达到的最小发射速度.v2=11.2 km/s.

第三宇宙速度：在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳的引力范围，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度.v3=16.7 km/s.

2.第一宇宙速度的推导：由v=，应用近地条件r=R(R为地球半径），R=6 400 km，代入地球质量M=6×1024 kg，得v==7.9 km/s.

    第一宇宙速度的另一种推导：

    在地面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力.（地球半径R、地面重力加速度g已知）

    由mg=得v=m/s=7.9 km/s.

说明：上述两种推导地球上第一宇宙速度的方法，也可以推广运用到其他星球上去.即知道了某个星球的质量M和半径r，或该星球的半径r及表面的重力加速度g，可以用同样方法，求得该星球上的第一宇宙速度.

3.将卫星送入低轨道容易，因为向低轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做的功少.

4.向高轨道发射，所需要的发射速度大.

5.发射速度与环绕速度不同.发射速度是将卫星送入轨道，在地面上所必须获得的速度.环绕速度是卫星发射成功后，环绕地球运行时的速度.由上述分析知，发射速度越大，轨道半径越大，由v=知，环绕速度越小.

知识拓展

1.根据三个宇宙速度的定义，三个宇宙速度又分别叫环绕速度、脱离速度、逃逸速度.

2.v1=7.9 km/s是最小的发射速度，但却是最大的环绕速度.①7.9 km/s<v<11.2km/s时，卫星的轨道是椭圆形的，地球在椭圆的一个焦点上.

②11.2 km/s<v<16.7 km/s.卫星脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”.

③当v≥16.7 km/s时，卫星挣脱太阳的引力，逃到太阳系以外去.

例2  我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥1号”.设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面.已知月球的质量约为地球质量的，月球的半径约为地球半径的，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为（    ）

A.0.4 km/s            B.1.8 km/s           C.11 km/s                D.36 km/s

解析：对于环绕地球或月球的人造卫星，其所受万有引力根据它们做圆周运动所需向心力，即    所以v=

    第一宇宙速度指的是最小发射速度，同时也是近地卫星环绕速度，对于近地卫星来说，其轨道半径近似等于地球半径

    所以

所以v月=×7.9 km/s≈1.8 km/s.

答案：B

课堂训练

1.恒星演化发展到一定阶段，可能成为恒星世界的“侏儒”——中子星.中子星的半径较小，一般在7 km—20 km，但它的密度大得惊人.若某中子星的半径为10 km，密度为1.2×1017kg/m3，那么该中子星上的第一宇宙速度约为（    ）

A.7.9 km/s                           B.16.7 km/s

C.2.9×104 km/s                       D.5.8×104 km/s

解析：中子星上的第一宇宙速度即为它表面处的卫星的环绕速度，此时卫星的轨道半径近似地认为是该中子星的球半径，且中子星对卫星的万有引力充当向心力，由,得v=,又M=ρV=,得

v==1×104×m/s=5.8×107 m/s.

答案：D

注意： 7.9 km/s是地球人造卫星的第一宇宙速度，不同的天体其第一宇宙速度也不同.

    只有理解了第一宇宙速度的物理意义，知道第一宇宙速度的导出过程，才能用这种计算方法计算任何天体上的第一宇宙速度.

知识拓展

拓展1：同步卫星是相对于地面静止的、和地球自转具有相同的周期的卫星，T=24 h.同步卫星一定位于赤道上方距地面高h处，且h是一定的.同步卫星也叫通讯卫星.

    假设卫星的轨道在某一纬线圈的上方跟着地球的自转同步地做匀速圆周运动，卫星运动的向心力由地球对它的引力的一个分力提供.由于另一个分力的作用将使卫星轨道靠向赤道,故只有在赤道上方，同步卫星才可能在稳定的轨道上运行.

    设地球的质量为M，卫星的质量为m，地球的半径为R，离地面的高度为h，由万有引力提供向心力和已知的周期T，得：=mω2(R+h)=m(R+h)()2,所以，h= -R，代入数值得h=3.6×107 m.

    由此可知要发射地球同步卫星，必须同时满足三个条件：

(1)卫星运动周期和地球自转周期相同.

(2)卫星的运行轨道在地球的赤道平面内.

(3)卫星距地面的高度有确定的值（约为3.6×107 m）.

拓展2：人造地球卫星中的超重和失重

    在人造卫星的发射过程中，整个卫星以加速度a向上加速运动，这时卫星中的人和其他物体的动力学方程为N-mg=ma  N=mg+ma

    即N>mg，这就是超重现象.这种情况与升降机中的超重相同.

    当卫星进入轨道以后，围绕地球做匀速圆周运动，这时卫星中的人和其他物体均以本身所受的重力作为向心力，即mg=

    显然，它们不再给支持物以压力或拉力，卫星上的物体完全失重，在卫星中处于漂浮状态.因此，在卫星上的仪器，凡是使用原理与重力有关的均不能使用.

2.发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示.则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是（    ）

A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率

B.卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度

C.卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度

D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度

解析：本题主要考查人造地球卫星的运动，尤其是考查了同步卫星的发射过程，对考生理解物理模型有很高的要求.

由得v=

因为r3>r1，所以v3<v1

由=mω2r得ω=

因为r3>r1,所以ω3<ω1

卫星在轨道1上经过Q点时的加速度为地球引力产生的加速度，而在轨道2上经过Q点时，也只有地球引力产生加速度，故应相等.同理，卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度.

答案：BD

点拨：（1）在讨论有关卫星的题目时，关键要明确：向心力、轨道半径、线速度、角速度和周期彼此影响、互相联系，只要其中的一个量确定了，其他的量也就不变了.只要一个量发生了变化，其他的量也都随之变化，不管是定性的分析还是定量的计算，都要依据下列关系式加以讨论：

=mω2r=mωv=.

（2）要区别线速度和发射速度，不要从v=出发误认为“高度越大的卫星，运动速度越小，因而发射越容易”.

二、梦想成真

问题（课件展示）：

1.是谁真正为人类迈向太空提供了科学思想？

2.世界上第一颗人造地球卫星是哪个国家发射的？

3.最先登上月球的是哪国人？

4.中国载人航天工程是哪一年正式启动的？

5.中国第一个被送入太空的航天员是谁？

学生阅读课文“梦想成真”这一部分，回答上述问题.

明确：1.俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基

2.苏联  3.美国人

4.1992年  5.杨利伟

点评：通过阅读课文，解决问题.感知人类探索宇宙的梦想，激发学生运用知识解决问题的能力，促使学生树立献身科学的人生观、价值观.

阅读材料：

材料1.人类探索太空的成就

    从1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，到今天人类已向太空发射了数以千计的包括卫星、空间站在内的航天器.

    “阿波罗”11号成功登陆月球，载人航天技术迅速发展.

    与此同时，探索太空、寻找人类知音的活动，也在持续进行.“先驱者”10号、11号及“旅行者”1号和2号先后出发，进入了茫茫太空，开始了它们的探索之旅.

    中华民族也不甘示弱，在火箭技术、卫星发射回收等技术方面均走在了世界的前列.

    伴随着“神舟五号”的发射成功，中国已正式启动“嫦娥工程”，开始了宇宙探索的新征程.

    材料2.中华民族是最早产生飞天梦想的伟大民族.从“嫦娥奔月”的动人传说到敦煌飞天的美丽壁画，从明代的万户飞天到如今的“神舟”号飞船，中华民族探索太空的脚步从来就没有停止过.1970年4月24日，我国的第一颗人造地球卫星——“东方红”1号上天了，嘹亮的“东方红”乐曲响彻太空，中国人有了自己的卫星.接着，我国相继研制和发射了科学实验卫星、返回式卫星、通讯卫星、气象卫星等一系列卫星.

    2003年10月15日9时整，“神舟五号”飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，在太空遨游了21个多小时，绕地球飞行14圈，于2003年10月16日6时23分在内蒙古草原安全着陆.飞船的成功发射，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家.

    中国和其他国家一样，在此之前探索宇宙的道路已经历了艰难的跋涉，且已取得了巨大成就.

课堂训练

1.关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（    ）

A.它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度

B.它是近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度

C.它是使卫星进入近地圆轨道的最小发射速度

D.它是卫星在椭圆轨道上运行时在远地点的速度

答案：BC

2.同步卫星是与地球自转同步的卫星，它的周期T=24 h.关于同步卫星的下列说法正确的是（    ）

A.同步卫星离地面的高度和运行速度是一定的

B.同步卫星离地面的高度越高，其运行速度就越大；高度越低，速度越小

C.同步卫星只能定点在赤道上空，相对地面静止不动

D.同步卫星的向心加速度与赤道上物体随地球自转的加速度大小相等

答案：AC

3.2004年10月19日，中国第一颗业务型同步气象卫星——“风云二号C”发射升空，并进入预定轨道.下列关于这颗卫星在轨道上运行的描述，正确的是（    ）

A.速度介于7.9 km/s与11.2 km/s之间       B.周期小于地球自转周期

C.加速度小于地面重力加速度              D.处于平衡状态

答案：C

4.我们设想，如果地球是个理想的球体，沿地球的南北方向修一条平直的闭合高速公路，一辆性能很好的汽车在这条高速公路上可以一直加速下去，并且忽略空气阻力，那么这辆汽车的最终速度（    ）

A.无法预测                            B.与飞机速度相当

C.小于“神舟五号”宇宙飞船的速度        D.可以达到7.9 km/s

答案：D

课堂小结

1.知识小结

    万有引力定律和向心力公式相结合，可以推导出卫星绕行的线速度、角速度、周期和半径的关系，记住三种宇宙速度的数值，结合航天知识可以进行实际的计算.同步卫星是众多卫星当中较特殊的一种，认识它的特点和规律，可以用来求解很多题目.

2.规律方法总结

（1）万有引力定律应用于卫星问题，是牛顿第二定律在天体运行中的具体应用.把握好万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动及其他力学知识的综合，是解答本节问题的关键.

（2）公式=mg中的g是与r（即轨道半径）有关的量，而不是一个定值，只是在地球表面附近时，g的变化很小，在处理自由落体运动时，为了简化问题，把g作为定值处理了.

布置作业

1.阅读教材的科学漫步栏目——黑洞.

2.上网查阅：（1）人造卫星的种类.（2）同步卫星的含义及特点.

板书设计

5  宇宙航行

活动与探究

课题：为“神舟”飞船设计一项搭载实验.

活动内容：在“神舟五号”飞船或航天飞机内，都搭载了不少利用微重力环境的科学实验项目，其中有些是中学生设计的，如在“哥伦比亚”号航天飞机内就搭载有我国中学生设计的“微重力下蚕的生长发育的实验”.我国即将发射“神舟七号”载人飞船，你想在飞船内搭载实验吗？请在老师的指导下合作，设计一项搭载实验.全班同学可举行一次活动，评选出优秀的实验方案.

习题详解

1.解答：设飞船的质量是m，周期为T，离地面高度为h.

由题意知：T=s=5 498.57 s

万有引力提供飞船做圆周运动的向心力得=m(R+h),

故“神舟五号”距离地面的高度h=

代入数据得h=3.4×105 m.

2.解答：近地飞行的轨道半径r=R(R为地球半径）.设其速度为v.

由万有引力提供向心力得                                        ①

忽略地球自转，地球表面上质量为m0的物体的重力m0g=                 ②

由①②得v=.

3.解答：（1）由mg=得

所以g1==8.9 m/s2.

（2）由得v==7.3km/s.

设计点评

    学科教学活动以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本课件设计的基本理念.学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具.本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法：在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析来掌握获取相关的知识和方法.