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2019-2020年人教版高中物理必修二 第六章 第5節(jié) 宇宙航行 教案 三維目標 知識與技能 1．了解人造衛(wèi)星的有關知識； 2．知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度。 過程與方法 通過用萬有引力定律推導第一宇宙速度，培養(yǎng)學生運用知識解決問題的能力。 情感、態(tài)度與價值觀 1．通過介紹我國在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學生的愛國熱情； 2．感知人類探索宇宙的夢想．促使學生樹立獻身科學的人生價值觀。 教學重點 第一宇宙速度的推導。 教學難點 運行速率與軌道半徑之間對應的關系。 教學方法 探究、講授、討論、練習。 教具準備 多媒體課件 教學過程 ［新課導入］ 1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類航天時代的新紀元。我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星，掌握了衛(wèi)星回收技術和“一箭多星”技術，1999年發(fā)射了“神舟”號試驗飛船。 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，我們對人造衛(wèi)星已有所了解，那么地面上的物體在什么條件下才能成為人造衛(wèi)星呢？人造衛(wèi)星的軌道半徑和它的運動速率之間有什么關系呢？這節(jié)課，我們要學習有關人造地球衛(wèi)星的知識。 ［新課教學］ 一、人造地球衛(wèi)星 1．牛頓的設想 在高山上用不同的水平初速度拋出一個物體，不計空氣阻力，它們的落地點相同嗎？ 它們的落地點不同，速度越大，落地點離山腳越遠。因為在同一座高山上拋出，它們在空中運動的時間相同，速度大的水平位移大，所以落地點也較遠。 假設被拋出物體的速度足夠大，物體的運動情形又如何呢？ 如果地面上空有一個相對于地面靜止的物體，它只受重力的作用，那么它就做自由落體運動，如果物體在空中具有一定的初速度，且初速度的方向與重力的方向垂直，那么它將做平拋運動，牛頓曾設想過：從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點也一次比一次離山腳遠，如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落到地面上來，它將圍繞地球旋轉，成為一顆繞地球運動的人造地球衛(wèi)星，簡稱人造衛(wèi)星。 2．人造地球衛(wèi)星 （1）人造地球衛(wèi)星 從地面拋出的物體，在地球引力的作用下繞地球旋轉，就成為繞地球運動的人造衛(wèi)星。 （2）人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件 地球對衛(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力。 （3）描述衛(wèi)星運動的物理量 設地球的質量為M，衛(wèi)星的質量為m，地球的半徑為R，衛(wèi)星離地面的高度為h，則衛(wèi)星的軌道半徑r＝R＋h，設衛(wèi)星在軌道上運動的向心加速度為a，線速度為v，角速度為ω，周期為T，根據(jù)萬有引力提供人造衛(wèi)星做圓周運動的向心力這一基本力學關系，得： r M m F v ①衛(wèi)星的向心加速度 ，r↑→a↓。 ②衛(wèi)星運動的角速度 ，r↑→ω↓。 ③衛(wèi)星運動的線速度 ，r↑→v↓。 ④衛(wèi)星運動的周期 ，r↑→T↑。 當人造衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運動時，rmin＝R，Tmin＝5060s。所以不可能在地球上發(fā)射一顆周期是80min的衛(wèi)星。 強調衛(wèi)星的軌道與相關各量的一一對應性。 二、宇宙速度 設一顆人造衛(wèi)星沿圓形軌道繞地球運轉，衛(wèi)星繞地球運轉的向心力由地球的萬有引力來提供。由知，距地面越高的衛(wèi)星運轉速率越小。 【思考討論】是向高軌道發(fā)射困難，還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難呢？ 向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難，因為向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球對它的引力做更多的功。 1．第一宇宙速度 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的環(huán)繞速度。 對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星，可以認為此時的r近似等于地球的半徑R，則 ＝7.9km/s 2．第二宇宙速度 如果衛(wèi)星進入地面附近的軌道速度大于7.9km/s，此時衛(wèi)星的運行軌道又如何呢？ ①當人造衛(wèi)星進入地面附近的軌道速度大于7.9km/s，而小于11.2 km/s，它繞地球運動的軌跡就不是圓形，而是橢圓。②當物體的速度等于或大于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行。(此時軌道為拋物線) 從地面上發(fā)射人造天體，要使它脫離地球的引力，不再繞地球運行，所需要的最小發(fā)射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。 ＝11.2 km/s 3．第三宇宙速度 達到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。在地面附近發(fā)射一個物體，要使物體掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系外，必須使它的速度等于或大于16.7 km/s，這個速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度發(fā)射的人造天體，其軌道為雙曲線) 從地面上發(fā)射人造天體，使它不僅能脫離地球的引力，而且還能脫離太陽系的引力束縛，這時所需要的最小發(fā)射速度，叫第三宇宙速度，也稱為逃逸速度。 v3＝16.7km/s 三、同步衛(wèi)星簡介 (向學生介紹有關衛(wèi)星的軌道問題：讓學生畫出他認為可能的軌道，逐一分析，得出衛(wèi)星的軌道要想穩(wěn)定，軌道必須在通過地球球心的大圓軌道內。介紹軌道平面、軌道傾角等概念；介紹極地軌道、赤道軌道等軌道類型) F1 F2 F 同步衛(wèi)星是指相對于地球靜止，即始終在地球某一位置的正上方。因而，同步衛(wèi)星必須有一定的條件。 首先，衛(wèi)星的運動方向必須與地球的自轉方向一致，且和地球自轉的角速度要相同。 如圖所示，假定衛(wèi)星m在赤道上空以外的某空間隨地球轉動，其受力為地球對它的萬有引力F，將F分解為指向地軸的分力F1，該力作為衛(wèi)星隨地球轉動的向心力，另一分力為F2，實際中找不到與F2相平衡的力，所以衛(wèi)星將落向赤道平面，此時地球對衛(wèi)星的萬有引力全部作為向心力，所以同步衛(wèi)星只能定點在赤道上空。 1．地球同步衛(wèi)星的特點 （1）衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星位于地球赤道的正上方，運動方向與地球自轉方向一致。 （2）衛(wèi)星的周期與地球自轉的周期相同，或角速度與地球自轉的角速度相同。 【例題】已知地球半徑R＝6400km，運轉周期T＝24h＝243600s，地球質量M＝5.981024kg，求同步衛(wèi)星的軌道高度h？ 解析：同步衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力同萬有引力提供，根據(jù)向心力公式有： 代入數(shù)值解得：h＝3.6107m。 （說明：可以用GM＝R2g來計算） 2．地球同步衛(wèi)星的“五定” 定周期（運轉周期與地球自轉周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點（每顆同步衛(wèi)星都定點在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。 四、夢想成真 探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠的太空，是人類自古以來的夢想。 真正為人類邁向太空提供科學思想的，是生于19世紀中葉的俄羅斯學者齊奧爾科夫斯基。他指出，利用噴氣推進的多級火箭，是實現(xiàn)太空飛行最有效的工具。 地球是人類的搖籃，但是人類不會永遠生活在搖籃里。 ——齊奧爾科夫斯基 1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6 kg，每96min繞地球飛行一圈。 幾年之后，1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進入了東方一號載人飛船?；鸺c火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時108 min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進入太空的豐碑。 1969年7月16日9時32分，阿波羅11號飛船在美國卡納維拉爾角點火升空，拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月19日，飛船進入月球軌道。7月20日，指揮長阿姆斯特朗和駕駛員奧爾德林進入登月艙，與母船分離后于下午4時17分在月面著陸。10時56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并說出了那句載入史冊的名言：“對個人來說，這不過是小小的一步，但對人類而言，卻是巨大的飛躍?！比藗冏ＹR說：“由于你們的成功，天空已成為人類世界的一部分?！? 1992年，中國載人航天工程正式啟動。2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時23分安全降落在內蒙古主著陸場。這次成功的發(fā)射實現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢想，標志著中國成為世界上第三個能夠獨立開展載入航天活動的國家，為進一步的空間科學研究奠定了堅實的基礎。 盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結？地外文明在哪里？…… 愛因斯坦曾經(jīng)說過：“一個人最完美和最強烈的情感來自面對不解之謎?！蹦阆爰尤肫平馑男辛袉?？ ［小結］ 通過本節(jié)課的學習，我們學習了繞地球飛行的衛(wèi)星情況，了解了描述衛(wèi)星的物理量的特點。知道了第一宇宙速度（環(huán)繞速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脫離速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。要區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度與衛(wèi)星進入軌道后的環(huán)繞速度。 ［布置作業(yè)］ 教材第44頁“問題與練習”。 板書設計 5．宇宙航行 一、人造地球衛(wèi)星 1．牛頓的設想 2．人造地球衛(wèi)星 （1）人造地球衛(wèi)星 從地面拋出的物體，在地球引力的作用下繞地球旋轉，就成為繞地球運動的人造衛(wèi)星。 （2）人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件 地球對衛(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力。 （3）描述衛(wèi)星運動的物理量 r M m F v ①衛(wèi)星的向心加速度 ，r↑→a↓。 ②衛(wèi)星運動的角速度 ，r↑→ω↓。 ③衛(wèi)星運動的線速度 ，r↑→v↓。 ④衛(wèi)星運動的周期 ，r↑→T↑。 二、宇宙速度 1．第一宇宙速度 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的環(huán)繞速度。 對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星，可以認為此時的r近似等于地球的半徑R，則 ＝7.9km/s 2．第二宇宙速度 從地面上發(fā)射人造天體，要使它脫離地球的引力，不再繞地球運行，所需要的最小發(fā)射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。 ＝11.2 km/s 3．第三宇宙速度 從地面上發(fā)射人造天體，使它不僅能脫離地球的引力，而且還能脫離太陽系的引力束縛，這時所需要的最小發(fā)射速度，叫第三宇宙速度，也稱為逃逸速度。 v3＝16.7km/s 三、同步衛(wèi)星簡介 1．地球同步衛(wèi)星的特點 （1）衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星位于地球赤道的正上方，運動方向與地球自轉方向一致。 （2）衛(wèi)星的周期與地球自轉的周期相同，或角速度與地球自轉的角速度相同。 2．地球同步衛(wèi)星的“五定” 定周期（運轉周期與地球自轉周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點（每顆同步衛(wèi)星都定點在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。 四、夢想成真