高中物理人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行教案设计

导入新课

出示视频：神六的发射过程

教师讲解：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。

学生观看视频了解卫星的发射

为引出本节课题做铺垫

讲授新课

一、牛顿的设想

出示图片：牛顿

在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。

出示动画：抛出速度足够大时，物体就不会落回地面

二、宇宙速度

思考讨论：地球上的物体，发射的速度至少有多大才能离开地球进行宇宙航行呢？

物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。

只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。用万有引力定律就可求解。

例1：当卫星在地面附近绕地球运行时，轨道半径为r，地球的质量为m地，物体的质量为m。

（1）请推导卫星绕地球运行时v的表达式。

（2）已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=5.89×1024kg，

地球半径R=6400km＝6.4×106m，求卫星绕地球运行时速度v的大小是多少？

解：万有引力提供物体作圆周运动的向心力。

由此解出：

近地卫星在100〜200km的高度飞行，远小于地球半径（6400km），可以近似用地球半径R代替卫星到地心的距离r。

=7.9km/s

1、第一宇宙速度

（1）定义：物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。

v=7.9km/s

（2）人造卫星的发射速度与环绕速度

①发射速度：指被发射物体离开地面时的速度。

②环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。

（3）对第一宇宙速度的理解

①第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将落回地面而不能绕地球运转。

②第一宇宙速度也是卫星刚好能在地球表面附近绕地球作匀速圆周运动的最大环绕速度。

③由知，卫星轨道半径为r越大，

v环绕越小，但需要的发射速度v发射越大。

思考讨论：有人说，第一宇宙速度也可用

（式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗？

参考答案：正确，因为在地面附近重力近似等于万有引力即重力提供物体作圆周运动的向心力

由此解出：

思考：由知高轨道上运行的卫星，线速度小，能否说向高轨道发射卫星比向低轨道要容易呢？

参考答案：不能这样说。

这是因为如果发射速度小于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。

（4）第一宇宙速度意义

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。

在地面附近发射飞行器，如果速度等于7.9km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。

思考：若卫星的发射速度大于7.9km/s，会出现什么情况？

若卫星的发射速度大于7.9km/s，绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。

当飞行器的发射速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。

2、第二宇宙速度大小：v=11.2km/s。

（1）当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫作第二宇宙速度。

（2）意义：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。

注意：达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。

3、第三宇宙速度大小：v=16.7km/s

（1）当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。

（2）意义：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。

（3）注意：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。

思考：你能推导出卫星运行时，其an、v、ω、T，分别与其轨道半径r的关系吗？

（1）解得

r越大，an越小

（2）解得

r越大，v越小

（3）解得

r越大，ω越小

（4）解得

r越大，T越大

三、人造地球卫星

牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，所以直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。

出示图片：第一颗人造地球卫星

1957年10月，苏联发射

第一颗人造地球卫星。开创了人类航天时代的新纪元。

1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”

发射成功，开创了中国航天史的新纪元。

出示图片：东方红1号人造地球卫星

出示图片：科学家钱学森

科学家钱学森被誉为“中国航天之父”为我国航天事业作出特殊贡献。

出示图片：地球上卫星

目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。

1、地球同步卫星

地球同步卫星位于赤道上方高度约36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星。

2、特点

周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相对于地面静止。

轨道一定：同步卫星轨道必须在赤道上空；高度一定：高度约36000km；速率一定；加速度一定。

注意：月球不是地球的同步卫星。

例题：关于地球同步通讯卫星，下列说法正确的是（    ）

A．若其质量加倍，则轨道半径也要加倍；

B．它以第一宇宙速度运行；

C．它以第二宇宙速度运行；

D．它绕地球运行时的角速度与地球自转角速度相同。

解：A、地球同步卫星距离地球的高度约为36000km，半径一样，所以各国发射的这种卫星轨道半径都一样，与质量无关，故A错误；

BC、地球同步卫星在轨道上的绕行速度约为3.1千米/秒，小于7.9km/s，即小于第一宇宙速度与第二宇宙速度，故BC错误；

D、同步卫星是指与地球相对静止的卫星。这种卫星绕地球转动的角速度与地球自转的角度速度相同，故D正确。

故选：D．

四、载人航天与太空探索

出示图片：苏联航天员加加林

1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类进入太空的梦想。

出示图片：阿波罗11号飞船登月

1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。

7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗踏上月面并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。

出示图片：人类在月球上留下了自己的足迹。

我国的航天成就

出示图片：我国第一颗人造卫星

1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空。

出示图片：嫦娥一号

2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功。

出示图片：嫦娥二号

2010年10月1日嫦娥二号顺利发射

出示图片：嫦娥三号

2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空

出示图片：神舟五号

2003年10月15日神舟五号中国第一位航天员杨利伟

出示图片：神舟六号

2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜

出示图片：神舟七号

2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明景海鹏。

出示图片：神舟九号

2012年6月16日神舟九号景海鹏刘洋刘旺

出示图片：神舟十号

2013年6月11日神舟十号发射成功

出示图片：聂海胜张晓光王亚平

除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。

2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。

STSE航天事业改变着人类的生活

阅读课文了解航天事业对人类的生活有哪些改变。

20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这一全新活动领域。通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻，已经成了人们生活的一部分，电视台天气预报节目中的卫星云图已使我们充分感受到气象卫星的威力。卫星对地观测技术将对我国西部开发的整体规划和监控发挥重要作用。

我国通过返回式卫星搭载稻种培育的高产稻“航育一号”，已经大面积推广，人类已经开始享用太空育种的优良农产品。

科学漫步黑洞

阅读课文说一说黑洞的涵义。

质量非常大，半径又非常小，其逃逸速度非常大，以3×108m/s的

速度传播的光都不能逃逸，即使它确实在发光，光也不能进入太空，我们也根本看不到它。对于一个质量为m的球状物体，当其半径R不大于2Gm/c2时这种天体称为黑洞。

课堂练习

1、已知绕中心天体做匀速圆周运动的近地卫星的轨道半径为r，运动周期为T。则中心天体的平均密度ρ=————。

答案：3π/GT2

2、人造地球卫星A和B的质量之比为1:2，轨道半径之比为2:1，它们受到地球的引力之比为————，它们运行的线速度之比为——————，它们运行的周期之比为——————。

答案：1:8；；

3、如图所示，我国“北斗卫星导航系统”由5颗静止轨道卫星（地球同步卫星）和30颗非静止轨道卫星组成，卫星轨道半径大小不同，其运行速度、周期等参量也不相同，下面说法正确的是（    ）

A．卫星轨道半径越大，环绕速度越大

B．卫星的线速度可能大于7.9km/s

C．卫星轨道半径越小，向心加速度越大

D．卫星轨道半径越小，运动的角速度越小

答案：C

4．据人民日报客户端1月3日的报道，上午10点26分，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面，完成了人类航天史上的一项壮举，实现了人类第一次在月背软着陆，成为2019年太空领域的“开门红”。关于月球，下列说法正确的是（    ）

A．月球上地磁南极是地理的北极，和地球上相似；

B．月球上的重力加速度约是地球上的6倍；

C．地球同步卫星的轨道半径约是地月距离的十分之一；

D．月球的环绕速度要比地球同步卫星的线速度要大。

答案：C

5、在地球上空有许多同步卫星，下列关于地球多个同步卫星的说法中正确的是（    ）

A．它们的质量可能不同

B．它们的速率可能不同

C．它们离地心的距离可能不同

D．它们的向心加速度大小可能不同

答案：A

拓展提高

1、所示，T和S是绕地球做匀速圆周运动的两颗人造地球卫星，虚线为各自轨道，其中T为地球同步卫星。由此可以判定（    ）

A．T卫星可以相对地面静止在天津的正上方

B．T卫星的运行周期小于S卫星的运行周期

C．T卫星的运行速率大于S卫星的运行速率

D．T卫星、S卫星的运行速率均小于7.9km/s

答案：D

2．如图所示，a是赤道表面上一建筑物，随地球一起转动，b是地面附近近地轨道上正常运行的卫星，c、d两卫星在相同的轨道上（轨道平面跟赤道共面）且绕地球运行的方向一致、d在c的后面，则下列说法中正确的是（    ）

A．卫星b所需的向心力可能小于卫星c所需的向心力

B．卫星c的线速度小于a的线速度

C．卫星b运行的线速度可能大于地球第一宇宙速度

D．卫星d加速后可追上c

答案：A

3、关于地球同步卫星，下列说法正确的是（    ）

A．稳定运行轨道可以位于重庆正上方

B．稳定运行的线速度小于7.9km/s

C．运行轨道可高可低，轨道越高，绕地球运行一周所用时间越长

D．若卫星质量加倍，运行高度将降低一半

答案：B

学生观察思考掌握速度越大，落地点离山脚越远，抛出速度足够大时，物体就不会落回地面

学生根据圆周运动的规律和万有引力定律计算卫星的运行速度。

学生记忆理解

学生思考讨论推导第一宇宙速度

学生思考讨论

学生思考讨论

学生阅读课文

说出第二宇宙速度和第三宇宙速度

学生动手推导

出卫星运行时，其an、v、ω、T，分别与其轨道半径r的关系

阅读课文了解人造地球卫星

学生理解记忆

学生分析理解

学生阅读课文并观看图片。

学生阅读课文说出航天事业对人类的生活有哪些改变。

学生练习

以学过的平抛运动知识引入到人造地球卫星知识的学习，不但使学生了解科学探索的过程，更让学生体会到尖端科学的最初设想都是从已知的简单科学知识出发的。

建立学生清晰的物理分析思路。

学生常常对环绕速度与发射速度不区分，因此对这部分的强调十分必要。

锻炼学生的计算能力，掌握在地面附近重力近似等于万有引力

理解向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。

了解发射速度大于7．9km/s轨迹

是椭圆，等于或大于11．2km/s，永远离开地球。

锻炼学生的自主学习能力

掌握推导过程，理解r越大an越小、v越小、ω越小、T越大。

锻炼学生的自主学习能力

掌握地球同步卫星的特点

巩固地球同步通讯卫星的基本知识

锻炼学生的自主学习能力，让学生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。

锻炼学生的自主学习能力

巩固所学的知识

课堂小结

1、三个宇宙速度

第一宇宙速度v1=7.9km/s；第二宇宙速度v2=11.2km/s；第三宇宙速度v3=16.7km/s。

2、第一宇宙速度是最小的发射速度，最大的运行速度。

3、人造地球卫星

相对于地面静止，公转周期和地球自转周期相同的卫星

4、an、v、ω、T，分别与其轨道半径r的关系

梳理自己本节所学知识进行交流

根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。

板书

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

1、第一宇宙速度：v=7.9km/s

物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。

2、第二宇宙速度大小：v=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。

3、第三宇宙速度大小：v=16.7km/s

物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间

三、人造地球卫星

1、地球同步卫星

地球同步卫星位于赤道上方因相对地面静止，也称静止卫星。

四、载人航天与太空探索