教學設計宇宙航行.doc

5 宇宙航行文本式教學設計整體設計 本節(jié)重點講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度.人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天文學上應用的一個實例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識的力量，是學生學習了解現(xiàn)代科技知識的一個極好素材.教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法.因此本節(jié)課是“萬有引力定律與航天”中的重要內(nèi)容，是學生進一步學習研究天體物理問題的理論基礎.另外，學生通過對人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對航天科學的熱愛，增強民族自信心和自豪感. 本節(jié)內(nèi)容涉及人造衛(wèi)星的運動規(guī)律和三個宇宙速度的含義，在處理有關衛(wèi)星的問題時，可以按勻速圓周運動模型處理，進而結合向心力公式、向心加速度公式及圓周運動公式，推導已知量和未知量的關系.學習宇宙速度時，要對比記憶，明確其物理意義.應掌握推導過程，體會推導第一宇宙速度的物理思想，另外，結合向心運動或離心運動分析衛(wèi)星軌道如何變化或改變的原因.教學重點 會推導第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度.教學難點 運行速率與軌道半徑之間的關系.課時安排 1課時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.3.通過實例，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)展史說明物理學的發(fā)展對于自然科學的促進作用.2.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.通過對我國航天事業(yè)發(fā)展的了解，進行愛國主義的教育.2.關心國內(nèi)外航空航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，有將科學技術服務于人類的意識.課前準備 多媒體課件、月球繞地球轉(zhuǎn)動演示儀.教學過程導入新課情景導入阿波羅飛船載人登月和返回地球的軌道示意圖 經(jīng)火箭發(fā)射，“阿波羅11號”首先進入環(huán)繞地球的軌道，然后加速，脫離地球軌道后，慣性滑行，進入環(huán)繞月球的軌道，最后登月艙降落在月球. 當宇航員在月球上完成工作后，再發(fā)動引擎進入環(huán)月球的軌道，然后加速，脫離月球軌道，進入地球軌道，最后降落于地球. 結合登月航線討論：為什么飛船能圍繞地球旋轉(zhuǎn)？飛船在什么條件下能掙脫地球的束縛？情景導入 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，不僅解決了天上行星的運行問題，也為人們開辟了上天的理論之路. 現(xiàn)代火箭航天技術先驅(qū)、俄國科學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.火箭發(fā)射 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，這標志著我國進入了載人航天時代. 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？情景導入 牛頓在思考萬有引力定律時就曾經(jīng)想過，從高山上水平拋出的物體速度一次比一次大時，落點就一次比一次遠.如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，這就是人造地球衛(wèi)星的雛形.那么這個速度需要多大呢？ 學習本節(jié)內(nèi)容之后便可解決上述問題了.推進新課一、宇宙速度課案片段一：人造地球衛(wèi)星課件展示1.人造衛(wèi)星發(fā)射及其在圓形軌道上的運動.2.演示月球繞地球轉(zhuǎn)動.問題：1.拋出的石頭會落地，為什么衛(wèi)星、月球沒有落下來？2.衛(wèi)星、月球沒有落下來必須具備什么條件？學生帶著這兩個問題閱讀教材“宇宙速度”部分.策略：教師不要急于讓學生回答上述兩個問題，提出這兩個問題的目的是讓學生帶著問題去閱讀課文，具有針對性，而且這兩個問題可激發(fā)學生學習的興趣.教師活動：演示拋物實驗，提出問題：1.平拋物體的速度逐漸增大，物體的落地點如何變化？2.速度達到一定值后，物體能否落回地面？3.若不能，此速度必須滿足什么條件？4.若此速度再增大，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？組織學生討論、交流，大膽猜測.結論：1.平拋物體的速度逐漸增大，物體的落地點逐漸變大.2.速度達到一定值后，物體將不再落回地面.3.物體不落回地面時環(huán)繞地面做圓周運動，所受地面的引力恰好用來提供向心力，滿足.4.若此速度再增大，物體不落回地面，也不再做勻速圓周運動，萬有引力不能提供所需要的向心力，從而做離心運動，軌道為橢圓軌道.合作探究 教師引導學生共同探究出：1.人造衛(wèi)星：物體繞地球做圓周運動時，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動時，地心是橢圓的一個焦點，其周期和半長軸的關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、導航衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源勘測衛(wèi)星、科學研究衛(wèi)星、預警衛(wèi)星和測地衛(wèi)星等種類.4.衛(wèi)星的運行： 衛(wèi)星在軌道上運行時，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)星做圓周運動的向心力. 設衛(wèi)星的軌道半徑為r，線速度大小為v，角速度為，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=ma=mr2=所以，衛(wèi)星運行速度、角速度、周期和半徑的關系分別為：v=,=,T=.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)星運行的速度為 B.衛(wèi)星運行的周期為C.衛(wèi)星的加速度為 D.衛(wèi)星的動能為解析：萬有引力充當向心力，有又g=故v=,A錯.T=,B對.a=,C錯.Ek=,D對.答案：BD總結：衛(wèi)星問題的求解，應知道萬有引力提供了衛(wèi)星做圓周運動的向心力.地球表面的重力加速度g=,當M未知時，可用其代換.由于g=經(jīng)常用到，所以叫“黃金公式”.點評：運用現(xiàn)代教育信息技術，把人類第一顆衛(wèi)星發(fā)射場景，我國衛(wèi)星發(fā)射、回收等有關資料片段重現(xiàn)在學生面前，給學生大量的生動的直觀感受，使學生的思維在直觀情景中由感性具體上升到思維抽象，準確地得到人造衛(wèi)星的概念.課堂訓練 有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運動，已知它們的軌道半徑之比r1r2=41,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）由得v=所以v1v2=12.（2）由=m2r得=所以12=18.（3）由T=得T1T2=81.（4）由=ma得a1a2=116.課案片段二：三個宇宙速度教師活動：提出問題，讓學生帶著問題去閱讀課文，思考問題，交流討論，解決問題.問題：1.什么是第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度？2.第一宇宙速度是如何推導出來的？3.將衛(wèi)星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？4.所需的發(fā)射速度，哪一個更大？為什么？5.發(fā)射速度和衛(wèi)星繞地旋轉(zhuǎn)的速度是不是同一速度？發(fā)射速度大說明什么？衛(wèi)星運轉(zhuǎn)速度大又說明什么？學生閱讀課文，思考、討論，學生代表發(fā)言：結論：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.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，成為繞太陽運行的人造衛(wèi)星或飛到其他行星上去所必須達到的最小發(fā)射速度.v2=11.2 km/s.第三宇宙速度：在地面上發(fā)射物體，使之最后能脫離太陽的引力范圍，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.2.第一宇宙速度的推導：由v=，應用近地條件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： 在地面附近，重力等于萬有引力，此力提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力.（地球半徑R、地面重力加速度g已知） 由mg=得v=m/s=7.9 km/s.說明：上述兩種推導地球上第一宇宙速度的方法，也可以推廣運用到其他星球上去.即知道了某個星球的質(zhì)量M和半徑r，或該星球的半徑r及表面的重力加速度g，可以用同樣方法，求得該星球上的第一宇宙速度.3.將衛(wèi)星送入低軌道容易，因為向低軌道發(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龅墓ι?4.向高軌道發(fā)射，所需要的發(fā)射速度大.5.發(fā)射速度與環(huán)繞速度不同.發(fā)射速度是將衛(wèi)星送入軌道，在地面上所必須獲得的速度.環(huán)繞速度是衛(wèi)星發(fā)射成功后，環(huán)繞地球運行時的速度.由上述分析知，發(fā)射速度越大，軌道半徑越大，由v=知，環(huán)繞速度越小.知識拓展1.根據(jù)三個宇宙速度的定義，三個宇宙速度又分別叫環(huán)繞速度、脫離速度、逃逸速度.2.v1=7.9 km/s是最小的發(fā)射速度，但卻是最大的環(huán)繞速度.7.9 km/sv11.2km/s時，衛(wèi)星的軌道是橢圓形的，地球在橢圓的一個焦點上.11.2 km/svmg，這就是超重現(xiàn)象.這種情況與升降機中的超重相同. 當衛(wèi)星進入軌道以后，圍繞地球做勻速圓周運動，這時衛(wèi)星中的人和其他物體均以本身所受的重力作為向心力，即mg= 顯然，它們不再給支持物以壓力或拉力，衛(wèi)星上的物體完全失重，在衛(wèi)星中處于漂浮狀態(tài).因此，在衛(wèi)星上的儀器，凡是使用原理與重力有關的均不能使用.2.發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火，將衛(wèi)星送入同步圓軌道3.軌道1、2相切于Q點，軌道2、3相切于P點，如圖所示.則當衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法正確的是（ ）A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度解析：本題主要考查人造地球衛(wèi)星的運動，尤其是考查了同步衛(wèi)星的發(fā)射過程，對考生理解物理模型有很高的要求.由得v=因為r3r1，所以v3r1,所以31衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時的加速度為地球引力產(chǎn)生的加速度，而在軌道2上經(jīng)過Q點時，也只有地球引力產(chǎn)生加速度，故應相等.同理，衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度.答案：BD點撥：（1）在討論有關衛(wèi)星的題目時，關鍵要明確：向心力、軌道半徑、線速度、角速度和周期彼此影響、互相聯(lián)系，只要其中的一個量確定了，其他的量也就不變了.只要一個量發(fā)生了變化，其他的量也都隨之變化，不管是定性的分析還是定量的計算，都要依據(jù)下列關系式加以討論：=m2r=mv=.（2）要區(qū)別線速度和發(fā)射速度，不要從v=出發(fā)誤認為“高度越大的衛(wèi)星，運動速度越小，因而發(fā)射越容易”.二、夢想成真問題（課件展示）：1.是誰真正為人類邁向太空提供了科學思想？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.俄羅斯學者齊奧爾科夫斯基2.蘇聯(lián) 3.美國人4.1992年 5.楊利偉點評：通過閱讀課文，解決問題.感知人類探索宇宙的夢想，激發(fā)學生運用知識解決問題的能力，促使學生樹立獻身科學的人生觀、價值觀.閱讀材料：材料1.人類探索太空的成就 從1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，到今天人類已向太空發(fā)射了數(shù)以千計的包括衛(wèi)星、空間站在內(nèi)的航天器. “阿波羅”11號成功登陸月球，載人航天技術迅速發(fā)展. 與此同時，探索太空、尋找人類知音的活動，也在持續(xù)進行.“先驅(qū)者”10號、11號及“旅行者”1號和2號先后出發(fā)，進入了茫茫太空，開始了它們的探索之旅. 中華民族也不甘示弱，在火箭技術、衛(wèi)星發(fā)射回收等技術方面均走在了世界的前列. 伴隨著“神舟五號”的發(fā)射成功，中國已正式啟動“嫦娥工程”，開始了宇宙探索的新征程. 材料2.中華民族是最早產(chǎn)生飛天夢想的偉大民族.從“嫦娥奔月”的動人傳說到敦煌飛天的美麗壁畫，從明代的萬戶飛天到如今的“神舟”號飛船，中華民族探索太空的腳步從來就沒有停止過.1970年4月24日，我國的第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”1號上天了，嘹亮的“東方紅”樂曲響徹太空，中國人有了自己的衛(wèi)星.接著，我國相繼研制和發(fā)射了科學實驗衛(wèi)星、返回式衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等一系列衛(wèi)星. 2003年10月15日9時整，“神舟五號”飛船載著中國第一位航天員楊利偉成功升空，在太空遨游了21個多小時，繞地球飛行14圈，于2003年10月16日6時23分在內(nèi)蒙古草原安全著陸.飛船的成功發(fā)射，標志著中國成為世界上第三個能夠獨立開展載人航天活動的國家. 中國和其他國家一樣，在此之前探索宇宙的道路已經(jīng)歷了艱難的跋涉，且已取得了巨大成就.課堂訓練1.關于第一宇宙速度，下列說法正確的是（ ）A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B.它是近地圓軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速度C.它是使衛(wèi)星進入近地圓軌道的最小發(fā)射速度D.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時在遠地點的速度答案：BC2.同步衛(wèi)星是與地球自轉(zhuǎn)同步的衛(wèi)星，它的周期T=24 h.關于同步衛(wèi)星的下列說法正確的是（ ）A.同步衛(wèi)星離地面的高度和運行速度是一定的B.同步衛(wèi)星離地面的高度越高，其運行速度就越大；高度越低，速度越小C.同步衛(wèi)星只能定點在赤道上空，相對地面靜止不動D.同步衛(wèi)星的向心加速度與赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度大小相等答案：AC3.2004年10月19日，中國第一顆業(yè)務型同步氣象衛(wèi)星“風云二號C”發(fā)射升空，并進入預定軌道.下列關于這顆衛(wèi)星在軌道上運行的描述，正確的是（ ）A.速度介于7.9 km/s與11.2 km/s之間 B.周期小于地球自轉(zhuǎn)周期C.加速度小于地面重力加速度 D.處于平衡狀態(tài)答案：C4.我們設想，如果地球是個理想的球體，沿地球的南北方向修一條平直的閉合高速公路，一輛性能很好的汽車在這條高速公路上可以一直加速下去，并且忽略空氣阻力，那么這輛汽車的最終速度（ ）A.無法預測 B.與飛機速度相當C.小于“神舟五號”宇宙飛船的速度 D.可以達到7.9 km/s答案：D課堂小結1.知識小結 萬有引力定律和向心力公式相結合，可以推導出衛(wèi)星繞行的線速度、角速度、周期和半徑的關系，記住三種宇宙速度的數(shù)值，結合航天知識可以進行實際的計算.同步衛(wèi)星是眾多衛(wèi)星當中較特殊的一種，認識它的特點和規(guī)律，可以用來求解很多題目.2.規(guī)律方法總結（1）萬有引力定律應用于衛(wèi)星問題，是牛頓第二定律在天體運行中的具體應用.把握好萬有引力定律、牛頓第二定律、勻速圓周運動及其他力學知識的綜合，是解答本節(jié)問題的關鍵.（2）公式=mg中的g是與r（即軌道半徑）有關的量，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