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2019-2020年高中物理 第六章 萬有引力與航天 第五節(jié) 宇宙航行教案 新人教版必修2 課 時：一課時 教 師： 教學(xué)重點(diǎn) 會推導(dǎo)第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度． 教學(xué)難點(diǎn) 運(yùn)行速率與軌道半徑之間的關(guān)系． 三維目標(biāo) 知識與技能 1．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識． 2．知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度． 3．通過實(shí)例，了解人類對太空的探索歷程． 過程與方法 1．能通過航天事業(yè)的發(fā)展史說明物理學(xué)的發(fā)展對于自然科學(xué)的促進(jìn)作用． 2．通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識解決問題的能力． 情感態(tài)度與價值觀 1．通過對我國航天事業(yè)發(fā)展的了解，進(jìn)行愛國主義的教育． 2．關(guān)心國內(nèi)外航空航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，有將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識． 導(dǎo)入新課　　　　　 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，不僅解決了天上行星的運(yùn)行問題，也為人們開辟了上天的理論之路． 現(xiàn)代火箭航天技術(shù)先驅(qū)、俄國科學(xué)家齊奧爾科夫斯基曾說過：“地球是人類的搖籃，人類絕不會永遠(yuǎn)躺在這個搖籃里，而會不斷地探索新的天體和空間．”1957年10月4日，前蘇聯(lián)用三級火箭發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星——“旅行者1號”，人類開始邁入航天時代． 2003年10月15日，“神舟五號”飛船載著中國第一位航天員楊利偉成功升空，這標(biāo)志著我國進(jìn)入了載人航天時代． 那么，多大的速度才能使物體不再落回地面，而使其成為地球的一顆衛(wèi)星呢？ 學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之后便可解決上述問題了． 推進(jìn)新課 一、宇宙速度 問題探究： 1、在地面拋出的物體為什么要落回地面？ 2、月球也要受到地球引力的作用，為什么 月亮不會落到地面上來？ 3、平拋物體的速度逐漸增大，物體的落地點(diǎn)如何變化？速度達(dá)到一定值后，物體還能否落回地面？若不能，此速度必須滿足什么條件？若此速度再增大，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 4、什么叫人造地球衛(wèi)星？ 組織學(xué)生討論、交流，大膽猜測． 結(jié)論：1.平拋物體的速度逐漸增大，物體的落地點(diǎn)逐漸變大． 2．速度達(dá)到一定值后，物體將不再落回地面． 3．物體不落回地面時環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動，所受地球的引力恰好用來提供向心力，滿足＝v＝. 4．若此速度再增大，物體不落回地面，也不再做勻速圓周運(yùn)動，萬有引力不能提供所需要的向心力，從而做離心運(yùn)動，軌道為橢圓軌道． 教師引導(dǎo)學(xué)生共同探究出： 1．人造衛(wèi)星：物體繞地球做圓周運(yùn)動時，此物體成為地球的衛(wèi)星． 2．衛(wèi)星軌道：可以是圓軌道，也可以是橢圓軌道． 衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)行時，由于地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的向心力，而萬有引力指向地心，所以，地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心．衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步衛(wèi)星)，也可以和赤道平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度． 衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動時，地心是橢圓的一個焦點(diǎn)，其周期和半長軸的關(guān)系遵循開普勒第三定律． 3．衛(wèi)星的種類： 衛(wèi)星主要有偵察衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源勘測衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星和測地衛(wèi)星等種類． 4．衛(wèi)星的運(yùn)行： 衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時，衛(wèi)星的軌道可視為圓形，這樣衛(wèi)星受到的萬有引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力． 1）教材在推導(dǎo)衛(wèi)星的運(yùn)動速度的時候，選取的衛(wèi)星軌道的形狀是什么？衛(wèi)星的所有軌道都是這種形狀嗎？ 2）人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動時向心力從何而來？衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的動力學(xué)方程是什么？ 3）請關(guān)閉書本后推導(dǎo)出衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的速度表達(dá)式 4）如果衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動而不落回地面，它的速度大小與衛(wèi)星離開地面的高度的關(guān)系是怎樣的？能否根據(jù)這個關(guān)系得出結(jié)論，將衛(wèi)星發(fā)射得越高越容易？為什么？ 5）衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的最小半徑是多少？ 6）在地面附近的物體要成為衛(wèi)星而不落回地面，必須給它至少以多大的速度才行？這個速度是怎樣計算出來的？ 人造衛(wèi)星的運(yùn)動規(guī)律： 設(shè)衛(wèi)星的軌道半徑為r，線速度大小為v，角速度為ω，周期為T，向心加速度為a. 根據(jù)萬有引力定律與牛頓第二定律得 G＝ma＝m＝mrω2＝mr 所以，衛(wèi)星運(yùn)行速度、角速度、周期和半徑的關(guān)系分別為： v＝，ω＝，T＝. 問題討論： 1、能不能發(fā)射這樣的地球衛(wèi)星，它繞地球的軌道平面不經(jīng)過地球的球心？為什么？ 2、人造衛(wèi)星的軌道平面有何特點(diǎn)？你知道為什么嗎？ 3、為什么實(shí)際的衛(wèi)星軌道只能大氣層外？地球同步衛(wèi)星的含義是什么？ 4、為什么地球同步衛(wèi)星軌道平面一定和地球的赤道平面重合？ 關(guān)于地球同步衛(wèi)星 對同步衛(wèi)星有什么要求？ 周期T、軌道面、半徑 r、運(yùn)行速度 V、繞行方向 地球同步衛(wèi)星 如果人造地球衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，轉(zhuǎn)動方向也相同，從地面觀察這種衛(wèi)星好像靜止在空中一樣，這就是地球同步衛(wèi)星。 特點(diǎn)： 1、定周期：即運(yùn)行周期T等于地球自轉(zhuǎn)周期(24h) 2、定軌道平面：即運(yùn)行平面在赤道平面內(nèi)； 3、定高度：即離地面高度h一定(h=3.6104km) 4、定速率：V(3.1km/s) 5、定點(diǎn)：赤道上方相對地面靜止 1.第一宇宙速度：人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度，是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，v1＝7.9 km/s. 人造衛(wèi)星 第一宇宙速度的推導(dǎo)：由v＝，應(yīng)用近地條件r＝R(R為地球半徑)，R＝6 400 km，代入地球質(zhì)量M＝61024 kg，得v＝＝7.9 km/s. 第一宇宙速度的另一種推導(dǎo)： 在地面附近，重力等于萬有引力，此力提供衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動的向心力．(地球半徑R、地面重力加速度g已知) 由mg＝m得v＝＝ m/s＝7.9 km/s. 第二宇宙速度：在地面上發(fā)射物體，使之能夠脫離地球的引力作用，成為繞太陽運(yùn)行的人造衛(wèi)星或飛到其他行星上去所必須達(dá)到的最小發(fā)射速度．v2＝11.2 km/s. →人造行星 第三宇宙速度：在地面上發(fā)射物體，使之最后能脫離太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間所必需的最小速度．v3＝16.7 km/s. →人造恒星 二、夢想成真 1883年，俄國學(xué)者齊奧爾科夫斯基提出使用火箭發(fā)射宇宙飛船的設(shè)想。 神舟六號載人航天飛行圓滿成功 問題(課件展示)： 1．是誰真正為人類邁向太空提供了科學(xué)思想？ 2．世界上第一顆人造地球衛(wèi)星是哪個國家發(fā)射的？ 3．最先登上月球的是哪國人？ 4．中國載人航天工程是哪一年正式啟動的？ 5．中國第一個被送入太空的航天員是誰？ 學(xué)生閱讀課文“夢想成真”這一部分，回答上述問題． 明確：1.俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫斯基 2．蘇聯(lián)　3.美國人 4．1992年　5.楊利偉 點(diǎn)評：通過閱讀課文，解決問題．感知人類探索宇宙的夢想，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用知識解決問題的能力，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀、價值觀． 例1 在圓軌道上質(zhì)量為m的人造地球衛(wèi)星，它到地面的距離等于地球半徑R，地面上的重力加速度為g，則(　　)． A．衛(wèi)星運(yùn)行的速度為 B．衛(wèi)星運(yùn)行的周期為4π C．衛(wèi)星的加速度為g D．衛(wèi)星的動能為mgR 解析：萬有引力充當(dāng)向心力，有G＝m 又g＝ 故v＝＝，A錯．T＝＝＝4π，B對． a＝＝＝，C錯．Ek＝mv2＝m＝，D對． 答案：BD 總結(jié)：衛(wèi)星問題的求解，應(yīng)知道萬有引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力．地球表面的重力加速度g＝，當(dāng)M未知時，可用其代換．由于g＝經(jīng)常用到，所以叫“黃金公式”． 點(diǎn)評：運(yùn)用現(xiàn)代教育信息技術(shù)，把人類第一顆衛(wèi)星發(fā)射場景，我國衛(wèi)星發(fā)射、回收等有關(guān)資料片段重現(xiàn)在學(xué)生面前，給學(xué)生大量的生動的直觀感受，使學(xué)生的思維在直觀情景中由感性具體上升到思維抽象，準(zhǔn)確地得到人造衛(wèi)星的概念． 1、有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運(yùn)動，已知它們的軌道半徑之比r1∶r2＝4∶1，求這兩顆衛(wèi)星的：(1)線速度之比；(2)角速度之比；(3)周期之比；(4)向心加速度之比． 參考答案： 解答：(1)由G＝m 得v＝ 所以v1∶v2＝1∶2. (2)由G＝mω2r 得ω＝ 所以ω1∶ω2＝1∶8. (3)由T＝ 得T1∶T2＝8∶1. (4)由G＝ma 得a1∶a2＝1∶16. 2、我國將要發(fā)射一顆繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥1號”．設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的，且貼近月球表面．已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的，月球的半徑約為地球半徑的，地球上的第一宇宙速度約為7.9 km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的速率約為(　　)． A．0.4 km/s　　 　　B．1.8 km/s　　 　　C．11 km/s　　 　　D．36 km/s 解析：對于環(huán)繞地球或月球的人造衛(wèi)星，其所受萬有引力提供它們做圓周運(yùn)動所需向心力，即 G＝m 所以v＝ 第一宇宙速度指的是最小發(fā)射速度，同時也是近地衛(wèi)星環(huán)繞速度，對于近地衛(wèi)星來說，其軌道半徑近似等于地球半徑 所以＝＝＝ 所以v月＝v地＝7.9 km/s≈1.8 km/s. 答案：B 近地衛(wèi)星、 同步衛(wèi)星、月球三者 比較 討論: 1、做圓周運(yùn)動的物體什么情況下做離心運(yùn)動？什么情況下做近心運(yùn)動？ 2、衛(wèi)星要想從低軌道到高軌道或從高軌道到低軌道你認(rèn)為怎么辦？ 3、同一軌道上的衛(wèi)星后一個想追上前面一個怎么辦？ 練習(xí)1：如圖所示a為正在繞地球做勻速圓周運(yùn)動的宇宙飛船，宇航員發(fā)現(xiàn)在飛船的后面與飛船在同一軌道上有一塊隕石b，為了避免二者相碰，宇航員采取的措施與對應(yīng)的結(jié)果正確的有（ C ） A、使飛船減速，它就能到更高的軌道上，避開隕石。 B、使飛船加速，它就能到較 低的軌道上，避開隕石。 C、即使不采取任何措施，隕石 也不會與飛船相碰。 D、應(yīng)該發(fā)射導(dǎo)彈將隕石擊碎才能避免相碰 練習(xí)2、航天飛機(jī)中的物體處于失重狀態(tài)，是指這個物體（ C ） A、不受地球的吸引力； B、地球吸引力和向心力平衡； C、對支持它的物體的壓力為零； D、受地球的吸引力減小了。 課堂小結(jié) 1．知識小結(jié) 萬有引力定律和向心力公式相結(jié)合，可以推導(dǎo)出衛(wèi)星繞行的線速度、角速度、周期和半徑的關(guān)系，記住三種宇宙速度的數(shù)值，結(jié)合航天知識可以進(jìn)行實(shí)際的計算．同步衛(wèi)星是眾多衛(wèi)星當(dāng)中較特殊的一種，認(rèn)識它的特點(diǎn)和規(guī)律，可以用來求解很多題目． 2．規(guī)律方法總結(jié) (1)萬有引力定律應(yīng)用于衛(wèi)星問題，是牛頓第二定律在天體運(yùn)行中的具體應(yīng)用．把握好萬有引力定律、牛頓第二定律、勻速圓周運(yùn)動及其他力學(xué)知識的綜合，是解答本節(jié)問題的關(guān)鍵． (2)公式G＝mg中的g是與r(即軌道半徑)有關(guān)的量，而不是一個定值，只是在地球表面附近時，g的變化很小，在處理自由落體運(yùn)動時，為了簡化問題，把g作為定值處理了． 布置作業(yè) 1．閱讀教材的科學(xué)漫步欄目——黑洞． 2．上網(wǎng)查閱：(1)人造衛(wèi)星的種類．(2)同步衛(wèi)星的含義及特點(diǎn)． 5　宇宙航行 宇宙航行