[教学设计]人教版 必修二 第六章 第5节 宇宙航行

权所有：安徽省舒城中学吕贤年5宇宙航行教材分析宇宙航行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”中的重点内容，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。学情分析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。设计思路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。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，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。（1）宇宙速度教学中需要说明的是，第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将不能环绕地球做圆周运动而落回地面，但是，在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中，第一宇宙速度是最大的环绕速度，因为，r越大，v越小，轨道半径的最小值为地球半径，对应的环绕速度为最大值，即第一宇宙速度。关于第二宇宙速度和第三宇宙速度，让学生了解它们的物理含义，不作定量的计算，以此拓展学生想像和思考的空间，问题留给学生，对此有兴趣的同学可以在课余时间研究。另外，结合前面学过的匀速圆周运动的知识，还可以适当补充对于人造地球卫星运行周期T、向心加速度、线速度、角速度等的讨论，并强调跟轨道的一一对应关系。（2）梦想成真教材简述了人类航天事业的发展史，特别例举了成功发射的人造地球卫星的几个实例，在这部分内容里，建议教师结合前面的理论分析，带领学生对于实例中的卫星进行一些定量的计算，比如：“1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈。”可以问学生：这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星运行的角速度多大？既巩固了匀速圆周运动运动学和动力学知识在人造卫星问题方面的实际运用，还增加学生对于这类问题的兴趣。在“问题与练习”中，就2003年我国成功发射的神舟5号宇宙飞船有类似的计算。这节内容，既介绍了航天成就，又谈到人类为此付出的代价。全文最后说：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”。以激励学生科学探究的志趣。在“科学漫步”栏目里，介绍了黑洞概念的起源、人们对它的种种推测、几代科学家对于黑洞的理论研究以及黑洞的最新研究和观测结果，并明确指出在黑洞问题上经典力学不适用。目的是给学生打开一扇窗口，引导学生向窗外的世界望一望，开阔眼界，启迪思维，加深对本章知识的理解。人们常常认为航天事业是一项高精尖的事业，与自己相去甚远。其实，它正在改变着我们的日常生活。在“STS”栏目里，就是着重于展示航天事业与人类生活的关系。在介绍各种卫星时，可以适当补充有关“地球同步卫星”的定量计算和分析。请参阅“参考资料”。教学中还可对同步通信卫星做些介绍，并计算同步卫星的相关数据。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。过程与方法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。教学重点第一宇宙速度的推导。教学难点运行速率与轨道半径之间对应的关系。教学方法探究、讲授、讨论、练习。教具准备多媒体课件教学过程新课导入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，1999年发射了“神舟”号试验飞船。随着现代科学技术的发展，我们对人造卫星已有所了解，那么地面上的物体在什么条件下才能成为人造卫星呢？人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。新课教学一、人造地球卫星1牛顿的设想在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远。因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？ 如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。2人造地球卫星（1）人造地球卫星从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。（2）人造地球卫星必须满足的条件地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。（3）描述卫星运动的物理量设地球的质量为M，卫星的质量为m，地球的半径为R，卫星离地面的高度为h，则卫星的轨道半径rRh，设卫星在轨道上运动的向心加速度为a，线速度为v，角速度为，周期为T，根据万有引力提供人造卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系，得：rMmFv卫星的向心加速度，ra。卫星运动的角速度，r。卫星运动的线速度，rv。卫星运动的周期，rT。当人造卫星环绕地球表面运动时，rminR，Tmin5060s。所以不可能在地球上发射一颗周期是80min的卫星。强调卫星的轨道与相关各量的一一对应性。【问题讨论】讨论当某一轨道上的卫星的速度增大后会带来怎样的变化？在同一轨道上同向飞行的两艘宇宙飞船，后面的一艘飞船怎样才能追上前面的飞船？二、宇宙速度设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转，卫星绕地球运转的向心力由地球的万有引力来提供。由知，距地面越高的卫星运转速率越小。【思考讨论】是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功。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，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的环绕速度。对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则7.9km/s （谐音“吃点酒”）【思考讨论】第一宇宙速度是卫星绕地球的最大速度，为什么？为什么说第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度？总结：第一宇宙速度v7.9km/s可理解成：一是发射卫星进入最低轨道所必须具有的最小速度。二是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度，即所有卫星的环绕速度均小于7.9km/s。2第二宇宙速度如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，此时卫星的运行轨道又如何呢？当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，而小于11.2 km/s，它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆。当物体的速度等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。(此时轨道为抛物线)从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。11.2 km/s3第三宇宙速度达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度发射的人造天体，其轨道为双曲线)从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。v316.7km/s三、同步卫星简介(向学生介绍有关卫星的轨道问题：让学生画出他认为可能的轨道，逐一分析，得出卫星的轨道要想稳定，轨道必须在通过地球球心的大圆轨道内。介绍轨道平面、轨道倾角等概念；介绍极地轨道、赤道轨道等轨道类型)F1F2F同步卫星是指相对于地球静止，即始终在地球某一位置的正上方。因而，同步卫星必须有一定的条件。首先，卫星的运动方向必须与地球的自转方向一致，且和地球自转的角速度要相同。 如图所示，假定卫星m在赤道上空以外的某空间随地球转动，其受力为地球对它的万有引力F，将F分解为指向地轴的分力F1，该力作为卫星随地球转动的向心力，另一分力为F2，实际中找不到与F2相平衡的力，所以卫星将落向赤道平面，此时地球对卫星的万有引力全部作为向心力，所以同步卫星只能定点在赤道上空。1地球同步卫星的特点（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。【例题】已知地球半径R6400km，运转周期T24h243600s，地球质量M5.981024kg，求同步卫星的轨道高度h？解析：同步卫星作匀速圆周运动所需的向心力同万有引力提供，根据向心力公式有：代入数值解得：h3.6107m。（说明：可以用GMR2g来计算）【巩固练习】所有地球同步卫星的线速度v、轨道半径r（距地面高度h）、周期T、角速度等是否相同？用m表示同步卫星的质量，h表示它离地面的高度，R0表示地球半径，g0表示地球表面的重力加速度，0表示地球自转角速度，则同步卫星所受地球对它的万有引力大小是Am0R0 BmR20g0/(R0h)2C Dm20(R0h) 答案：BCD（用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料，使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就）2地球同步卫星的“五定”定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。四、梦想成真探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。真正为人类迈向太空提供科学思想的，是生于19世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基。他指出，利用喷气推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效的工具。地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。齐奥尔科夫斯基1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6 kg，每96min绕地球飞行一圈。几年之后，1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船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19日，飞船进入月球轨道。7月20日，指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母船分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，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。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”1992年，中国载人航天工程正式启动。2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。这次成功的发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载入航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解它的行列吗？【课堂练习】关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（BC）A它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B它是近地圆形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形轨道的最小发射速度D它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度在环绕地球运行的飞船实验舱内，下面几项实验中可以正常进行的是（CD）A用天平称物体的质量B同弹簧秤称物体的重力C上紧闹钟上的发条D用体温表测宇航员的体温关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是（AB）A如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量B两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期就一定是相同的C原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可ABrRD一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小飞船沿半径为r的圆周绕地球运动，其周期为T，如果飞船要返回地面，可在轨道某一点A将速率降低适当数值，从而使飞船沿经地心焦点的椭圆轨道运行，椭圆与地球表面在B点相切，如图所示，已知地球半径为R。试求：飞船由A点到B点所需的时间。AB在天体运动中，把两颗相距较近的恒星称为双星，已知A、B两恒星质量分别为M1和M2，两恒星相距为L，两恒星分别绕共同的圆心做圆周运动，如图，求两恒星的轨道半径和角速度大小。如图所示，A、B两颗行星绕同一颗恒星作匀速圆周运动，运转方向相同，A的周期为T1，B的周期为T2，在某一时刻，两行星相遇（即两行星相距最近），则： ABA经过一段时间tT1T2两行星再次相遇B经过一段时间两行星再次相遇C经过一段时间两行星再次相遇D经过一段时间两行星相距最远有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径之比r1r241，求：（1）这颗卫星的线速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比？解：（1）由得，所以（2）由得，所以（3）由得（4）由得小结通过本节课的学习，我们学习了绕地球飞行的卫星情况，了解了描述卫星的物理量的特点。知道了第一宇宙速度（环绕速度）v17.9km/s；第二宇宙速度（脱离速度）v211.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v316.7km/s。要区分卫星的发射速度与卫星进入轨道后的环绕速度。布置作业教材第44页“问题与练习”。板书设计5宇宙航行一、人造地球卫星1牛顿的设想2人造地球卫星（1）人造地球卫星从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。（2）人造地球卫星必须满足的条件地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。（3）描述卫星运动的物理量rMmFv卫星的向心加速度，ra。卫星运动的角速度，r。卫星运动的线速度，rv。卫星运动的周期，rT。二、宇宙速度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，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的环绕速度。对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则7.9km/s （谐音“吃点酒”）2第二宇宙速度从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。11.2 km/s3第三宇宙速度从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。v316.7km/s三、同步卫星简介1地球同步卫星的特点（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。2地球同步卫星的“五定”定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。四、梦想成真科学漫步黑洞理论分析表明，逃逸速度是环绕速度的倍，即。由此可知，天体的质量M越大，半径R越小，逃逸速度也就越大，也就是说，其表面的物体就越不容易脱离它的束缚。有些恒星，在它一生的最后阶段，强大的引力把其中的物质紧紧地压在一起，密度极大，每立方厘米的质量可达数吨。它们的质量非常大，半径又非常小，其逃逸速度非常大。于是，我们自然要想，会不会有这样的天体，它的质量更大、半径更小，逃逸速度更大，以3108m/s的速度传播的光都不能逃逸？如果宇宙中真的存在这种天体，即使它确实在发光，光也不能进入太空，我们也就根本看不到它。这种天体称为黑洞（black hole）。1799，法国科学家拉普拉斯在对牛顿引力理论做过透彻研究后指出，对于一个质量为M的球状物体，当其半径R不大于，即是一个黑洞。倘若太阳能收缩成黑洞，其半径应小于3km，而目前太阳的实际半径是这一数值的25万倍。拉普拉斯并非是指出黑洞的第一人。一位英国学者米切尔（J.Michell）于1784年也提出过相似的见解。遗憾的是，他们的论述被尘封了一个多世纪，因为那时人们只知道引力对普通物质的作用，还不知道引力是否也能吸引光。此外，他们的推测都建立在牛顿引力理论的基础上，后来发现，当涉及强引力时，牛顿的引力公式并不十分可靠。1916年，爱因斯坦创立的广义相对论一举解决了这两个问题。从此有关黑洞的研究就在新的基础上进行，黑洞的性质也就更为引人入胜。几十年来，科学家们围绕“宇宙动物园中这种怪兽”的存在一直在猜测。困难在于，看不见它，我们如何判断它的存在？1970年，通过间接途径，科学家们发现了第一个很可能是黑洞的目标，这是个质量至少为太阳10倍的黑暗天体。近年又在大麦哲伦星云中发现了十几个可能是黑洞的物体。对此，一位学者感叹道，“曾几何时，黑洞不过是噩梦，现在，它终于出现这个世界之中了”。为寻找这种最黑暗的奇异天体而进行的探索还在继续着。“为什么要研究黑洞呢？”对此，当代最著名的宇宙学家霍金（Stephen W.Hawking，1942）自问道：“为什么人们要攀登珠穆朗玛峰？因为它就在那里。”他这样回答自己。STS航天事业改变着人类生活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。人类冲破了大气层的阻拦，摆脱了地球引力的束缚，实现了在太空翱翔的梦想。不仅如此，更具现实意义的是它给人们带来了先进技术和无尽资源，成为推动社会发展的强大动力。卫星通信和卫星广播已经不是新鲜事，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，已经成了人们基本生活的一部分。天气预报的质量正在悄悄地提高，准确率和预报时段都在渐渐攀上新的台阶。这里，气象卫星功不可没。“静止”在赤道上空的同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，5颗同步卫星就可以形成一条南北纬50之间的全球观测带。再配合几颗纵穿地球两极的极轨卫星，就能形成全球气象卫星观测系统，为天气预报提供全面、及时的气象资料。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。卫星引起了船舶、飞机导航技术的重大变化。利用全球卫星定位系统（GPS）进行自动导航的出租车已经奔驰在城市的道路上。地球资源卫星是探测地球资源的最迅速、最有效、最经济的工具，它应用于勘测海洋和水利资源、调查地下矿藏、监视自然灾害、观测环境污染等方面。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。在世界各国发射的航天器中，军用卫星占了总数量的三分之二以上。军用卫星已经成为指挥系统和武器系统的重要组成部分，侦察卫星、军用通信卫星、军用导航卫星以及空中预警飞机构成了现代防务的“神经中枢”。航天器所到达的空间是一种崭新的环境资源。由于失重现象，航天器是一个微重力实验室，在这样的条件下，可以研制高纯度大单晶、超纯度金属，进行各种物理、化学、生物、医学等研究。太空环境的另一个特点是高强度的辐射。由于没有大气层的阻挡，航天器受到来自太空的各种高能粒子的轰击。它一方面对宇航员造成威胁，需要防范；另一方面，它可以诱导生物基因的变异。受辐射的植物种子就有可能变为具有优良性状的新品种。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；青椒新品种“卫星872”，平均果重较原种提高70。人类已经开始享受太空育种的优良农产品。航天，几十年前还是梦想，如今正在不知不觉地改变我们的生活。版权所有：安徽省舒城中学吕贤年9 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