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2019-2020年高中物理 第六章 萬(wàn)有引力與航天 6.5宇宙航行教學(xué)案 新人教版必修2 班級(jí)________姓名________學(xué)號(hào)_____ 學(xué)習(xí)目標(biāo): 1、了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)。 2、知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。 3、通過(guò)用萬(wàn)有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力 4、通過(guò)介紹我國(guó)在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情。 5、感知人類探索宇宙的夢(mèng)想，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生價(jià)值觀。 學(xué)習(xí)重點(diǎn): 第一宇宙速度的推導(dǎo) 學(xué)習(xí)難點(diǎn): 運(yùn)行速率與軌道半徑之間的關(guān)系 主要內(nèi)容: （一）引入新課 教師活動(dòng)：上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了萬(wàn)有引力的成就?，F(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們回憶下列問(wèn)題： 1、萬(wàn)有引力定律在天文學(xué)上有何應(yīng)用？ 2、如何應(yīng)用萬(wàn)有引力定律計(jì)算天體的質(zhì)量？能否計(jì)算環(huán)繞天體的質(zhì)量？ 學(xué)生活動(dòng)：經(jīng)過(guò)思考，回答上述問(wèn)題： 1、應(yīng)用萬(wàn)有引力定律可以估算天體的質(zhì)量；可以來(lái)發(fā)現(xiàn)未知天體。 2、應(yīng)用萬(wàn)有引力定律求解天體質(zhì)量時(shí)，萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度的三種表述方式可得三種形式的方程，即 G ① G=mω2r ② G=m ③ 教師活動(dòng)：點(diǎn)評(píng)、總結(jié) 導(dǎo)入：這節(jié)課我們?cè)賮?lái)學(xué)習(xí)有關(guān)宇宙航行的知識(shí)。 （二）進(jìn)行新課 1、宇宙速度 教師活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)們閱讀課文第一自然段，同時(shí)思考下列問(wèn)題［投影出示］： 1、在地面拋出的物體為什么要落回地面？ 2、什么叫人造地球衛(wèi)星？ 學(xué)生活動(dòng)：閱讀課文，從課文中找出相應(yīng)的答案。 1、在地面上拋出的物體，由于受到地球引力的作用，所以最終都要落回到地面。 2、如果在地面上拋出一個(gè)物體時(shí)的速度足夠大，那么它將不再落回地面，而成為一個(gè)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，這個(gè)物體此時(shí)就可認(rèn)為是一顆人造地球衛(wèi)星。 教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生深入探究 1、月球也要受到地球引力的作用，為什么月亮不會(huì)落到地面上來(lái)？ 2、物體做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行的距離與飛行的水平初速度有何關(guān)系? 3、若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會(huì)怎樣？ 學(xué)生活動(dòng)：分組討論，得出結(jié)論。 1、由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)月球受到的地球的引力（即重力），用來(lái)充當(dāng)繞地運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力，故而月球并不會(huì)落到地面上來(lái)。 2、由平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律知： x=v0t ① h= ② 聯(lián)立①、②可得： x=v0 即物體飛行的水平距離和初速度v0及豎直高度h有關(guān)，在豎直高度相同的情況下，水平距離的大小只與初速度v0有關(guān)，水平初速度越大，飛行的越遠(yuǎn)。 3、當(dāng)平拋的水平初速度足夠大時(shí)，物體飛行的距離也很大，由于地球是一圓球體，故物體將不能再落回地面，而成為一顆繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。 教師活動(dòng)：總結(jié)、點(diǎn)評(píng)。 課件演示《人造衛(wèi)星發(fā)射原理圖》：平拋物體的速度逐漸增大，飛行距離也跟著增大，當(dāng)速度足夠大時(shí)，成為一顆繞地運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。 牛頓曾依據(jù)平拋現(xiàn)象猜想了衛(wèi)星的發(fā)射原理，但他沒有看到他的猜想得以實(shí)現(xiàn)。今天，我們的科學(xué)家們把牛頓的猜想變成了現(xiàn)實(shí)。 教師活動(dòng)：［過(guò)渡語(yǔ)］從上面學(xué)習(xí)可知，當(dāng)平拋物體的初速度足夠大時(shí)就可成為衛(wèi)星。那么，大到什么程度就叫足夠大了呢？下面我們來(lái)討論這一個(gè)問(wèn)題。 請(qǐng)同學(xué)們閱讀教材有關(guān)內(nèi)容，同時(shí)考慮下面幾個(gè)問(wèn)題［投影出示］： 1.衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)方程是什么？ 2.為什么向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射要困難？ 3.什么叫第一宇宙速度？什么叫第二宇宙速度？什么叫第三宇宙速度？ 學(xué)生活動(dòng)：閱讀課文，找出相應(yīng)答案。 1、衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程是：G 2、向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，火箭須克服地球?qū)λ囊Χ龈嗟墓Γ瑢?duì)火箭的要求更高一些，所以比較困難。 3、人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須具有的速度叫第一宇宙速度。 人造衛(wèi)星繞地球做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度叫第二宇宙速度。 人造衛(wèi)星掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙中去時(shí)，所必須具有的速度叫第三宇宙速度。 教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生深入探究 1、衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的最小半徑是多少？ 2、結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)第一宇宙速度。 學(xué)生活動(dòng)：分組討論，得出答案。 1、衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的最小半徑近似等于地球的半徑，即在地球表面繞地運(yùn)轉(zhuǎn)。 2、由萬(wàn)有引力定律和牛頓第二定律， 得： G=m ① 由于萬(wàn)有引力近似等于物體的重力， 得： G=mg ② 由①、②兩式得 v= 代入數(shù)據(jù)得 v=7.9km/s 教師活動(dòng)：總結(jié)、點(diǎn)評(píng)。 課件演示《三個(gè)宇宙速度》 2、夢(mèng)想成真 教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生閱讀有關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生了解人類在探索宇宙的奧秘中已經(jīng)取得的輝煌成就，體會(huì)我國(guó)在征服宇宙太空的過(guò)程中所取得的偉大成就，培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)熱情和愿為科學(xué)獻(xiàn)身的精神。 視頻展示：我國(guó)載人飛船“神州五號(hào)”升空實(shí)況。 學(xué)生活動(dòng)：閱讀課本，發(fā)表感想。 （三）課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方。 點(diǎn)評(píng)：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。 （四）實(shí)例探究 ［例］從地球發(fā)出的光訊號(hào)垂直于地面發(fā)射，訊號(hào)到達(dá)月球表面時(shí)正好能垂直射向水平月面，經(jīng)反射返回地球被吸收，光速為c，光訊號(hào)往復(fù)經(jīng)歷的時(shí)間為t，地球的半徑為R，月球的半徑為r，月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T，試求地球的質(zhì)量。 解析：設(shè)地球質(zhì)量為M，月球質(zhì)量為m，則：G=mr′ 所以M=而r′=R+r+c 所以M= (2R+2r+ct)3 課堂練習(xí) 1.要使人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，它進(jìn)入地面附近的軌道速度是________km/s，要使衛(wèi)星脫離地球引力不再繞地球運(yùn)行，必須使它的軌道速度等于或大于________km/s，要使它飛行到太陽(yáng)系以外的地方，它的速度必須等于或大于________km/s. 2.關(guān)于第一宇宙速度，下面說(shuō)法正確的是（ ） A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度 B.它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度 C.它是使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度 D.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)在近地點(diǎn)的速度 3.某行星的衛(wèi)星在靠近行星的軌道上飛行，若要計(jì)算行星的密度，需要測(cè)出的物理量是( ) A.行星的半徑 B.衛(wèi)星的半徑 C.衛(wèi)星運(yùn)行的線速度 D.衛(wèi)星運(yùn)行的周期 4.關(guān)于人造地球衛(wèi)星與宇宙飛船的下列說(shuō)法中，正確的是( ) A.如果知道人造地球衛(wèi)星的軌道半徑和它的周期，再利用萬(wàn)有引力恒量，就可算出地球質(zhì)量 B.兩顆人造地球衛(wèi)星，只要它們的繞行速率相等，不管它們的質(zhì)量、形狀差別有多大，它們的繞行半徑和繞行周期一定是相同的 C.原來(lái)在同一軌道上沿同一方向繞行的人造衛(wèi)星一前一后，若要后一衛(wèi)星追上前一衛(wèi)星并發(fā)生碰撞，只要將后者速率增大一些即可 D.一艘繞火星飛行的宇宙飛船，宇航員從艙內(nèi)慢慢走出并離開飛船，飛船因質(zhì)量減小，所受萬(wàn)有引力減小，故飛行速度減小 5.一顆人造地球衛(wèi)星離地面高h(yuǎn)=3R(R為地球半徑).若已知地球表面的重力加速度為g,則衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度是________，角速度是________，周期是________，若已知地球質(zhì)量為M，萬(wàn)有引力常量為G，則衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度是________，角速度是________，周期是________. 參考答案： 1.7.9；11.2；16.7 2.BC 3.D 4.AB 5.；；；；； 課后作業(yè) 1、完成P44“問(wèn)題與練習(xí)”中的問(wèn)題。 2、閱讀教材42頁(yè)“科學(xué)漫步”欄目中的短文《黑洞》和77頁(yè)“STS”欄目中的短文《航天事業(yè)改變著人類生活》 閱讀材料：靜止衛(wèi)星為何要多次點(diǎn)火 1997年5月12日O時(shí)，我國(guó)新一代通信衛(wèi)星東方紅三號(hào)由長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭發(fā)射升空。東方紅三號(hào)衛(wèi)星升空后首先進(jìn)入了近地點(diǎn)高209km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高36194km、傾角28．3的地球同步轉(zhuǎn)移軌道．當(dāng)日下午4時(shí)，衛(wèi)星上490牛推力的遠(yuǎn)地總發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火，50分鐘后，衛(wèi)星變軌成功，其近地點(diǎn)提高到6488km，傾角減少到l 2.3(遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為36194km不變)．5月13日、14日，在西安衛(wèi)星測(cè)控中心控制下，衛(wèi)星上遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)又先后兩次點(diǎn)火，衛(wèi)星順利進(jìn)入地球準(zhǔn)同步軌道．此后，用衛(wèi)星上l O牛推力器進(jìn)行位置捕獲，使衛(wèi)星于5月20日定點(diǎn)在東經(jīng)125的赤道上空。 為什么該衛(wèi)星要經(jīng)3次變軌及位置捕獲才能定點(diǎn)工作呢?這是由于地球靜止軌道高度約3586Okm，且軌道傾角為0(在該軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，從地球上看好像是不動(dòng)的，衛(wèi)星運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等)。要把衛(wèi)星送到這個(gè)高度，并使衛(wèi)星以3．07km／s同步速度運(yùn)行，這就要求火箭能夠達(dá)到1O．4km／s的速度．它已接近第二宇宙速度(112km／s)，一般火箭很難“一步到位”，再因發(fā)射場(chǎng)不在赤道上，所以通常須進(jìn)行多次變軌才能進(jìn)入預(yù)定的地球靜止軌道。 我國(guó)發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星一般是這樣的：①用火箭把衛(wèi)星送入約近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn) 36OOOkm、傾角28．5的橢圓形軌道．②衛(wèi)星在運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)附近時(shí)，幾次用衛(wèi)星上遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)變軌，不斷抬高近地點(diǎn)高度，使橢圓形軌道逐漸拉高為距地面高36000砌的圓軌道．③衛(wèi)星進(jìn)入準(zhǔn)同步軌道后，靠星上小推力器向定點(diǎn)位置飄移，并調(diào)整軌道的各個(gè)參數(shù)．使衛(wèi)星的軌道傾角接近零，軌道周期接近于地球自轉(zhuǎn)周期．④衛(wèi)星定點(diǎn)后還要進(jìn)行定點(diǎn)保持．由于地球扁率和太陽(yáng)光壓會(huì)引起衛(wèi)星在定點(diǎn)位置的東西方向上飄移，要克服這種飄移，使衛(wèi)星保持在定點(diǎn)位置的O．1。范圍，需用星上推力器不斷進(jìn)行軌道修正，每年要付出2m／s的修正速度．日月引力會(huì)引起傾角變化，使衛(wèi)星在南北方向上產(chǎn)生飄移，飄移速度約O．75。～O．95。／年不等，不同年傷不一樣．要克服這種飄移，使衛(wèi)星在南北方向上也保持在上0．1。的范圍內(nèi)，每年需付出40～51m／s的修正速度．所以，地球靜止軌道衛(wèi)星在軌工作壽命期間，地面測(cè)控站要定期地測(cè)量衛(wèi)星軌道，并定期修正，直到衛(wèi)星上控制系統(tǒng)的燃料用完．