2020-2021學(xué)年高中物理 第七章 萬有引力與宇宙航行 4 宇宙航行教案 新人教版必修2

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第七章 萬有引力與宇宙航行 4 宇宙航行教案 新人教版必修22020-2021學(xué)年高中物理 第七章 萬有引力與宇宙航行 4 宇宙航行教案 新人教版必修2年級(jí)：姓名：- 12 -宇宙航行教學(xué)目標(biāo) 核心素養(yǎng)物理觀念：能正確描述和解釋人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律；科學(xué)思維：能運(yùn)用物理模型，對衛(wèi)星的發(fā)射原理進(jìn)行分析和推理；科學(xué)探究：能依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射原理，制定合力探究路線，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：衛(wèi)星發(fā)射是人類宇宙奧秘探索的過程，增強(qiáng)民族自信心自豪感。教學(xué)重點(diǎn)1.第一宇宙速度及其推導(dǎo)；2. v、t、a隨軌道半徑的變化規(guī)律3. 衛(wèi)星軌道的特點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)1. 發(fā)射速度和環(huán)繞速

2、度的關(guān)系2. v、t、a隨軌道半徑的變化規(guī)律3. 高考考點(diǎn)課 型新授教 具教 法教 學(xué) 過 程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)復(fù)習(xí)引入：1萬有引力定律的內(nèi)容，表達(dá)式2天體運(yùn)動(dòng)中，萬有引力與向心力的關(guān)系。將天體運(yùn)動(dòng)看做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬有引力或萬有引力的合力提供向心力，即 l：兩天體間距離，可能等于軌道半徑，可能不等于軌道半徑；r：軌道半徑；：向心加速度m：中心天體質(zhì)量 m：衛(wèi)星（行星）質(zhì)量教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)播放視頻，神州十號(hào)發(fā)射。1970年4月24日我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”成功發(fā)射，開創(chuàng)了中國航天史的新紀(jì)元，此后我國相繼發(fā)射了數(shù)千顆不同種類的衛(wèi)星。還掌握了衛(wèi)星回收和一箭

3、多星發(fā)射技術(shù)，衛(wèi)星是如何發(fā)射成功的呢？運(yùn)行遵循什么樣的規(guī)律？本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識(shí)。一、牛頓的設(shè)想1687年，牛頓在其出版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中提出設(shè)想：物體從高山上拋出，速度原來越大，落地點(diǎn)就越來越遠(yuǎn)，如果速度達(dá)到一定值，物體會(huì)不會(huì)不再落回地面？從而成為地球的衛(wèi)星？二、宇宙速度1.第一宇宙速度（環(huán)繞速度）思考討論：若發(fā)射一顆衛(wèi)星，至少需要多大的速度才能離開地球進(jìn)行宇宙航行呢？簡化處理：物體在地球附近繞地球運(yùn)動(dòng)，太陽作用可忽略不計(jì)，把物體水平拋出后，若物體剛好不能落回地面時(shí)，即物體恰好能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)地球?qū)λ娜f有引力提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。設(shè)衛(wèi)星質(zhì)量為m，地球

4、質(zhì)量m，繞地球運(yùn)行的軌道半徑r。衛(wèi)星環(huán)繞地球速度v是多大？發(fā)射衛(wèi)星所需要的最小速度是多大？解：萬有引力提供衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，即： 化簡得： 軌道半徑越大，環(huán)繞速度越小。衛(wèi)星剛好能圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的發(fā)射速度最小，此時(shí)軌道半徑近似等于地球半徑r。所以有： 了解我國航天事業(yè)的成就，引入新課。閱讀教材p59上部文字及插圖。思考問題。教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)地面附近，忽略太陽作用力： 由可得 這個(gè)速度稱為第一宇宙速度。聯(lián)立式得： 將g、m、r帶入或者將g和r帶入得 所以發(fā)射衛(wèi)星需要的最小速度，此時(shí)的衛(wèi)星做近地環(huán)繞，依據(jù)知，軌道半徑越小，環(huán)繞速度越大，所以近地環(huán)繞時(shí)的環(huán)繞速度最大。因

5、此，第一宇宙速度又稱為最小發(fā)射速度和最大環(huán)繞速度。2.第二宇宙速度（脫離速度）若發(fā)射速度，軌道由圓變?yōu)闄E圓，長軸變長，當(dāng)時(shí)，衛(wèi)星脫離地球的吸引，永遠(yuǎn)離開地球，進(jìn)入環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道，稱為第二宇宙速度。當(dāng)發(fā)射速度7.9km/s v 11.2km/s時(shí)，仍是地球的衛(wèi)星，軌道為橢圓，速度越大，長軸越長。第三宇宙速度（逃逸速度）達(dá)到第二宇宙速度的物體，還受到太陽的引力，如果速度繼續(xù)增大，達(dá)到16.7km/s物體將掙脫太陽的吸引，永遠(yuǎn)離開太陽系。思考和是否矛盾？不矛盾，前式是環(huán)繞速度的表達(dá)式，當(dāng)環(huán)繞半徑為r時(shí)（近地），由帶入，即可得。發(fā)射速度和環(huán)繞速度有什么關(guān)系？完成教材p60思考與討論。向?qū)W生說明：三

6、個(gè)宇宙速度指的都是最小發(fā)射速度。教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)發(fā)射速度越大，軌道半徑越大，環(huán)繞速度越小。如果發(fā)射速度達(dá)到了極限速度v=3.0108km/s，都不能從某天體表面脫離，這種天體稱為黑洞。例1.下列關(guān)于三種宇宙速度的說法中正確的是（ cd）a.人造地球衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度為 b.美國發(fā)射的鳳凰號(hào)火星探測器，其發(fā)射速度大于第三宇宙速度。c.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造小行星的最小發(fā)射速度。d.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大環(huán)繞速度e.我國向月球發(fā)射的 “嫦娥二號(hào)”宇宙飛船在地面附近的發(fā)射速度要大于

7、11.2km/s。f.在地面附近發(fā)射火星探測器的速度應(yīng)為g.由知，高軌道衛(wèi)星運(yùn)行速度小，故發(fā)射高軌道衛(wèi)星比發(fā)射低軌道衛(wèi)星容易。例2.我國發(fā)射了探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”，設(shè)該衛(wèi)星軌道為圓形，且貼近月球表面，已知月球點(diǎn)質(zhì)量約為地球的1/81，月球的半徑約為地球的1/4，地球的第一宇宙速度約為7.9km/s，則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的最大速率約為（ b ）。a. 0.4km/s b. 1.8km/sc. 11km/s d. 36km/s知道了環(huán)繞速度和軌道半徑的關(guān)系，其它物理量、t、an與軌道半徑r有什么關(guān)系呢？教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)三、t、an與r的關(guān)系1. 與r的關(guān)系由 可得：軌道半徑越大，角

8、速度越小，r最小為r（近地環(huán)繞），此時(shí)最大。2.t與r關(guān)系由 可得： 半徑越小，周期越小，當(dāng)環(huán)繞半徑等于地球半徑時(shí)，周期最小。（約85min）也可由 得出兩者之間的關(guān)系。3.an與r的關(guān)系由 得： 半徑越小向心加速度越大。結(jié)論：無論星球質(zhì)量多大，只要環(huán)繞的軌道半徑相同，v、t、an均相同。例1.如圖所示，a、b兩顆做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，距地面的高度分別為r和2r（r為地球半徑），下列說法中正確的是（ c ）地球a ba. a、b的線速度大小之比是 b. a、b的周期之比是c. a、b的角速度大小之比是d. a、b的向心加速度大小之比是例2. 如圖，a、b、c是地球大氣層外圓軌道上運(yùn)動(dòng)的

9、三顆衛(wèi)星，a、b質(zhì)量相等，且小于c的質(zhì)量，則：（abd）a.b所需向心力最小教學(xué)環(huán)節(jié)地球abc教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)b.b、c周期相同，且大于a的周期c.b、c向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度d.b、c線速度大小相等，且小于a的線速度e、b速度變大后，可與c相遇四、人造地球衛(wèi)星o極地軌道赤道軌道一般軌道地軸牛頓雖然預(yù)言了人造地球衛(wèi)星，但是由于條件的限制，直到1957年10月4日，世界上第一顆 人造地球衛(wèi)星（蘇聯(lián)）才發(fā)射成功，1970年4月24日我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號(hào)”成功發(fā)射，為我國航天事業(yè)做出特殊貢獻(xiàn)的科學(xué)家錢學(xué)森被譽(yù)為“中國航天之父”。1.軌道類型赤道軌道：軌道平面在

10、赤道平面內(nèi)。極地軌道：與赤道平面垂直，過地球兩極辨析：能否發(fā)射一顆衛(wèi)星，軌道與地球某一經(jīng)度線所決定的平面是共面同心圓。學(xué)生探討：不可以，因?yàn)榈厍蛟谧赞D(zhuǎn)。一般軌道：衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面成一定夾角2共同特征軌道平面一定過地心（為什么？）衛(wèi)星均參與兩種運(yùn)動(dòng)：圍繞地球轉(zhuǎn)；隨著地球公轉(zhuǎn)。（勻速圓周運(yùn)動(dòng)在太陽系內(nèi)）衛(wèi)星內(nèi)的物體均處于完全失重狀態(tài)（原因）說明：衛(wèi)星的軌道形狀可能是圓，也可能是橢圓，由發(fā)射速度大小決定。如果是圓形，地心就是軌道圓心；如果是橢圓，地心位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。例.如圖圓a、b、c，其圓心均在地球的自轉(zhuǎn)軸線上，對環(huán)繞地球引導(dǎo)學(xué)生分析衛(wèi)星為什么有這三個(gè)特征。教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)預(yù)設(shè)學(xué)生活動(dòng)預(yù)設(shè)snobca做勻速圓周運(yùn)動(dòng)而言 （ bcd ）a.衛(wèi)星的軌道可能是a。b. 衛(wèi)星的軌道可能是b。c. 衛(wèi)星的軌道可能是c。d. 同步衛(wèi)星的軌道只可能是b。例2飛機(jī)中的乘客要想看到太陽從西邊升起，怎樣實(shí)現(xiàn)？（飛機(jī)自東向西飛，用地球儀演示）例3地球赤道上的物體重力加速度為“g”，隨地球自轉(zhuǎn)的向心加速度為“a”，要使地球赤道上的物體飄起來，地球的轉(zhuǎn)速應(yīng)為原來的多少倍？解：對赤道上的物體受力分析得：設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為0.由題意可得： 剛好飄起來設(shè)角速度為，則有： 由可得： /可得：例4某物體在地面上受到的重力為160n，將它放置在衛(wèi)星中，在衛(wèi)星以加速a=g/2隨火箭向