宇宙航行.docx

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宇宙航行

宇宙航行教学设计

一、教材分析

《宇宙与航行》系新课程教课版必修2第六章第五节，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非常重要实例，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。

教材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。

学生通过行星的运动一节已经知道了行星的运动规律，因此在分析人造卫星的运动学特点，和动力学特点可采取类比的方法，近而进一步理解应用万有引力定律分析天体运动的方法。

因此，本节课是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础。

另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，增强学生的民族自信心和自豪感。

二、学情分析

学生以具备万有引力定律、天体运动、曲线运动、圆周运动的相关知识，所以学生具有学习本节课的基础。

但处于现阶段的学生尚处于有“形象思维和感性思维”向“抽象思维和理性思维”的一个过渡期。

对策是教师在处理的过程中要提供良好的感受性材料，设计好问题，铺路搭桥，简化“模型”，让学生能顺利过渡。

三、三维目标

（一）知识和能力目标

　　1．了解人造地球卫星的有关知识和航天发展史。

　　2．知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。

3．理解卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

4.了解地球同步卫星以及几种卫星的轨道

（二）过程与方法目标

　　1．在学习牛顿对卫星发射的思考过程的同时，培养学生科学探索能力；培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力。

　　2．通过对卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系的讨论，培养学生运用知识分析解决实际问题的能力。

　（三）情感态度与价值观目标

　　1．通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理的热情。

　　2．通过介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。

 　3．感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。

四、教学重点

　1．第一宇宙速度的推导。

　2．卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

五、教学难点

卫星的发射速度与运行速度的关系。

六、教学准备：

多媒体

七、教学过程

（一）：

引入新课

通过前面的学习我们知道了，人类通过站在地球上的观测，认识到了天体做什么样的运动，并进一步弄清了天体为什么要做这样的运动。

然而人类并不满足于只站在地球上探索宇宙的奥秘。

本节课，我们就来学习人类是如何走出地球，飞向宇宙，进行宇宙航行的。

首先来开一组图片，这是金字塔和巨石阵，据考证它们都是古人进行天文观测的场所。

很早以前，人类都是靠肉眼来进行天文观测的。

直到伽利略的出现，他将望远镜指向了天空。

有了望远镜这个工具，人类就能更好的进行天文学研究。

现在在世界各地有很多大型的天文观测站。

除了进行天文观测，人类还渴望走出地球，探索宇宙。

1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星。

这一事件具有划时代的意义，它宣告人类已经进入空间时代。

第一颗人造地球卫星呈球形，直径58厘米，重83.6公斤。

它沿着椭圆轨道飞行，每96分钟环绕地球一圈。

（二）：

推进新课

 　　牛顿的思考

 　　探究：

怎样才能使得一个物体绕着地球做圆周运动？

 　　先让学生思考、讨论，教师可根据学生情况引导学生思考。

　　设疑：

我们知道，在地面上将一个物体水平抛出，若抛出时速度越大，则落地点距抛出点的水平距离越大。

如果抛出速度很大时，我们还能将地面看作平面吗？

（不能）

早在16世纪道的牛顿就曾思考过这个问题。

　　从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。

如果抛出的速度足够大，物体就不在落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。

（一）宇宙速度

　　探究：

以多大的速度发射这个物体，物体就刚好不落回地面，成为一颗绕地球表面做匀速圆周运动的卫星呢？

1.第一宇宙速度

设地球的质量为M,绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度为v，它到地心的距离为r。

飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供的，所以

由此解出

引导学生思考讨论v与r的关系

当r小到地球半径时，v是最大的了

即r=R时飞行器的速度v是最大值

引导学生将R=6400kmM=5.98

10

kgG=6.67

10

代入计算得

这就是物体在地面附近做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。

思考：

能否利用黄金替换式求解呢

将GM=gR

代入

与

相吻合

拓展：

（播放嫦娥一号发射的模拟视频，让学生了解卫星发射的全过程，学生也将对发射速度和运行速度有一个了解。

）

a．发射速度

　　发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。

b．运行速度

运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。

师生总结：

第一宇宙速度是最小的发射速度最大的运行速度

　设疑：

如果发射速度大于第一宇宙速度，结果会怎样呢？

　　2．第二宇宙速度

　　当抛出物体的速度继续增大，地球引力将不足以为其做圆周运动提供向心力，物体将会脱离地球引力，离开地球。

这个速度为v=11.2km/s。

我们把v=11.2km/s叫做第二宇宙速度。

如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。

　　3．第三宇宙速度

 　物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。

若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。

这个速度v=16.7km/s。

这个速度叫做第三宇宙速度。

（二） 卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

　　探究：

目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同，那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢？

 　学生可能的答案：

质量、轨道半径……

 　我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动，则有

可得：

　　师生总结：

线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由轨道半径决定。

　　当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小为地球半径（r=R），此时线速度最大，角速度最大，周期最小。

则

（三）地球同步卫星以及几种卫星的轨道

（借助于多媒体，一边向学生展示，一边介绍，注意知识与技能的实现。

）

1.同步卫星

同步卫星就是与地球同步运转，相对地球静止的卫星，因此可用来作为通讯卫星，同步卫星有以下几个特点：

（1）周期一定：

同步卫星在赤道正上方相对地球静止，它绕地球的运动与地球自转同步，它的运动周期就等于地球自转的周期，T＝24h.

（2）角速度一定：

同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。

（3）轨道一定：

①因提供向心力的万有引力指向圆心，所有同步卫星的轨道必在赤道平面内。

②由于所有同步卫星的周期相同，由

知，所有同步卫星的轨道半径都相同，即在同一轨道上运动，其确定的高度约为3.6

104km.

（4）环绕速度大小一定：

所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，都是3.08km/s,环绕方向与地球自转相同。

师生总结：

同步卫星具有“四定”的特点即定周期、定角速度、定速度、定轨道。

2.几种卫星的轨道

（1）赤道轨道：

卫星的轨道在赤道平面内，同步卫星就是其中的一种。

（2）极地轨道：

卫星的轨道过南北两极，即在垂直于赤道的平面内，如定位卫星系统中的卫星轨道。

（3）其他轨道：

除以上两种轨道外的卫星轨道。

师生总结：

一切卫星的轨道的圆心，与地心重合。

　（四）梦想成真

　学生先阅读，然后教师简述补充。

（借助于多媒体，一边向学生展示，一边介绍，注意情感态度与价值观目标的实现。

）

　　其实早在六百多年前的明朝，一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举，但最终未能成功，并为之付出了生命。

万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。

他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个，因此他被世界公认为“真正的航天始祖”，为了纪念这位世界航天始祖，世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。

 　　19世纪中叶，俄罗斯学者，齐奥尔科夫斯基，提出利用喷气推进的多级火箭，运载发射卫星。

 　　1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。

 　　1961年4月12日，世界上第一次载人飞行，苏联。

 　　1969年7月16日，人类第一次登上月球，美国。

 　　1970年，中国第一颗人造卫星发射成功。

 　　2003年10月15日，中国第一次载人飞行。

 　　2007年，嫦娥一号成功发射。

 　　然而人类对宇宙的探索并不是一帆风顺的，无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。

 　　1986年1月28日，美国，挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。

 　　2003年2月1日，美国，哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸，七名宇航员遇难。

八、课堂小结及练习

1.小结

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？

这些都是留给大家待以解决的问题。

2.练习

①同步卫星离地心距离r，运行速度为v1，加速度为a1，地球赤道上的物体随地球自转的加速度为a2，第一宇宙速度为v2，地球半径为R，则以下正确的是（多选）

A.a1/a2=r/RB.a1/a2=（r/R）2

C.v1/v2=r/RD.v1/v2=（r/R）-1/2

②一飞船在某行星表面附近沿圆轨道绕该行星飞行，认为行星是密度均匀的球体。

要确定该行星的密度，只需测量（单选）

A.飞船的轨道半径B.飞船的运行速度

C.飞船的运行周期D.行星的质量

③若取地球的第一宇宙速度为8km/s，某行星的质量是地球质量的6倍，半径是地球半径的1.5倍，则这一行星的第一宇宙速度为__________。

九、布置作业P

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十、板书设计（略）

十一、教学反思

本接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----导出这样的一条主线，激发学生积极参与讨论的热情，从而构建物理生命之课堂。