高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行教学设计及反思

教学目标 核心素养

物理观念：能正确描述和解释人造地球卫星的运行规律；

科学思维：能运用物理模型，对卫星的发射原理进行分析和推理；

科学探究：能依据卫星发射原理，制定合力探究路线，分析数据发现规律；

科学态度与责任：卫星发射是人类宇宙奥秘探索的过程，增强民族自信心自豪感。

教学重点

1. 同步卫星的特点

2. 多星系统、变轨问题

3.

教学难点

1. 变轨原理

2. 向心力的来源

3. 赤道物体、近地卫星、同步卫星的异同点

高考考点

课  型

新授

教  具

教  法

教    学    过    程

教学环节

教师活动预设

学生活动预设

复习引入：

1．万有引力定律的内容，表达式

2．天体运动中，万有引力与向心力的关系。

3．第一宇宙速度和环绕速度的关系。

4．v、ω、T、a与轨道半径r的关系。

本节课接着上节课内容继续学习同步卫星及其发射原理。

3．同步卫星

⑴．定义：相对地面静止，与地球以相同的角速度转动的卫星。也称静止卫星。

⑵．特征

①运行方向与地球自转方向一致；

在练习本上写出关系，教师投影，学生纠正。

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②运行周期（角速度）与地球自转周期（角速度）相同，

③轨道平面与赤道平面重合，卫星均在赤道正上方；

④高度固定不变（36000km，约为地球半径的6倍）；

⑤环绕线速度一定（3100m/s）。

例1.如图，A是地球赤道上随地球自转的物体，其向心加速度大小为a1，线速度大小为v1，B是绕地球做匀速圆周运动的近地卫星，向心加速大小为a2，第一宇宙速度为v2；C是地球同步卫星，其轨道半径为r，向心加速度大小为a3，线速度大小为v3，已知地球半径为R，下列说法正确的是（  ）

A.       B.  

C.        D. 

解析：让学生理清三个位置的特征是解题的关键，特别是赤道上的物体和同步卫星的共同点；近地卫星和同步卫星的共同点，由此得出赤道上物体和近地卫星的线速度关系和加速度关系。

变式：比较A、B、C三者的线速度、角速度、周期、加速度的大小关系正确的是（ ABD ）。

A．        B．

C．         D．

例2．下列关于同步通信卫星的说法正确的是（  ）

A．各国发射的地球同步卫星的高度和速率都是相等的

B．同步通信卫星的角速度虽然确定，但高度和速率可以选择，高度增加，速率增大，高度降低，速率减小，仍同步

C．我国发射的第一颗人造地球卫星的周期是114min，它的高度比同步卫星低

D．同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星速率小

学生在练习本上求解高度和线速度。要会分析卫星为什么一定在赤道正上方。（作图分析原因）

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⑶比较：赤道上的物体、近地卫星、同步卫星

4．卫星变轨

⑴．卫星发射越高越困难，所需能量越大，为了让卫星进入更高的环绕轨道，并不是直接送入指定轨道，而是通过变轨的方法进入既定轨道，如图所示。

步骤1.先发射进入一个圆轨道1，称为停泊轨道

（驻留轨道）

步骤2.在P点，火箭点火，卫星做离心运动，卫星

进入一条大的椭圆轨道2，远地点位于既定轨道上，

此轨道称为转移轨道。

步骤3.在远地点Q，开动发动机，使之进入既定轨道3。

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问题．P点卫星在轨道1和2上的加速度为a1、a2，速度为v1、v2，Q点轨道2和3上的加速度为a3、a4，速度为v3、v4，比较加速度和速度的大小关系。

解：①轨道1和轨道2在P点离地心的距离r1相等，此点加速度为向心加速度，根据 知 a1=a2。

轨道2和轨道3在Q点离地心的距离r2相等，此点加速度为向心加速度，根据 知 a3=a4。

因为r1<r2，所以

②P点在轨道1需加速才能进入轨道2，所以v1<v2，Q点在轨道2需加速才能进入轨道3，所以v3<v4，P为近地点，Q为远地点，所以v2>v3，根据 得轨道3半径大于轨道1半径，所以v1>v4，故速度大小关系：v2.>v1> v4> v3

例．同步卫星的发射方法是变轨发射，即先把卫星发射到离地面高度为200 km--300 km的圆形轨道上，这条轨道叫停泊轨道；如图所示，当卫星穿过赤道平面上的P点时，末级火箭点火工作，使卫星进入一条大的椭圆轨道，其远地点恰好在地球赤道上空约36000 km处，这条轨道叫转移轨道；当卫星到达远地点Q时，再开动卫星上的发动机，使之进入同步轨道，也叫静止轨道．关于同步卫星及发射过程，下列说法正确的是（　　）

A．在P点火箭点火和Q点开动发动机的目的都是使卫星加速，因此，卫星在静止轨道上运行的线速度大于在停泊轨道运行的线速度。

B．卫星在静止轨道上运行的周期大于在转移轨道运行的周期

C．卫星在转移轨道上运动速度大小范围为7.9 km/s～ll.2 km/s

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D．卫星在转移轨道经过Q点时的加速度小于它在静止轨道上经过Q点时的加速度。

⑵．变轨运行分析

①卫星在圆轨道稳定运行时，万有引力定律恰好提供向心力。②线速度增加时，所需要的向心力增加，万有引力不足以提供卫星做圆周运动的向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道进入椭圆运动；线速度减小时，所需向心力减小，万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道进入椭圆轨道。

⑶实例分析（飞船对接）

①低轨道飞船对接高轨道目标飞船。

低轨飞船合理加速做离心运动，追上高轨目标飞船完成对接。

②飞船和目标飞船同轨道。

飞船加速会做离心运动，不可能追上。通常先使飞船减速降低高度，在加速提升高度，适当控制完成对接。

5．双星或多星

1．定义：指两颗星球在其之间万有引力的作用下，绕其连线上某一点做圆周运动，两星球的轨迹为同心圆。

2．特征：

①两星球做圆周运动的向心力大小相等

②两星球的角速度相等    

③半径之和等于其间距

分析：设两星球质量分别为m1 、m2，间

距L，围绕连线中间某位置做匀速圆周运动，可得：

      ①

         ②

两式联立得：           ③

即：两星球的质量与环绕半径成反比。

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     ④

两式联立得：      

将r1或带入①或②   得：

例：天体运动中，有一种三星系统，由三颗质量相等的恒星组成等边三角形，他们绕三角形的中心匀速转动，已知某三星系统远离其它星体，可以认为它们与其它星体的作用力为零，它们之间的距离均为r，绕中心转动周期为T，每颗星均可看做质点，试求三颗星的总质量。

解：设每颗星的质量为m，运行半径R，

由      得：

对任一星球，受力如图所示。

由万有引力定律得：

化简得：

所以三个星的总质量

五、载人航天与太空探索

教师引导学生阅读教材相关内容，了解人类对太空探索历程，特别是我国近年来在航天事业上取得的新成就。

小结：

作业：

课后阅读教材P62-63内容，了解航天是也对我们生活的改变。