高中物理 專題6.5 宇宙航行教學(xué)設(shè)計(jì) 新人教版必修2.doc

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宇宙航行 教材分析 宇宙航行不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實(shí)際物理問(wèn)題的物理方法。因此，本節(jié)課是“萬(wàn)有引力定律與航天”中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究天體物理問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過(guò)對(duì)人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對(duì)航天科學(xué)的熱愛(ài)，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。 學(xué)情分析 學(xué)生已學(xué)過(guò)平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律等基本理論，具備了解決問(wèn)題的基本工具。 設(shè)計(jì)思想 本節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)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(wàn)有引力定律在天文學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，是人類征服自然的見(jiàn)證，體現(xiàn)了知識(shí)的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識(shí)的一個(gè)極好素材。 本節(jié)課的難點(diǎn)在于對(duì)人造衛(wèi)星原理的理解，因此教學(xué)設(shè)計(jì)上采用理論探究法，在設(shè)計(jì)中突出發(fā)揮學(xué)生的主體作用，課堂中通過(guò)設(shè)疑→思考→啟發(fā)→引導(dǎo)這樣一條主線，激發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生的大膽思考、積極參與，讓學(xué)生通過(guò)自己的分析研究來(lái)掌握獲取相關(guān)的知識(shí)和方法。 （1）宇宙速度 教學(xué)中需要說(shuō)明的是，第一宇宙速度是發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，發(fā)射速度低于它，衛(wèi)星將不能環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)而落回地面，但是，在環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的所有可能的速度中，第一宇宙速度是最大的環(huán)繞速度，因?yàn)?，r越大，v越小，軌道半徑的最小值為地球半徑，對(duì)應(yīng)的環(huán)繞速度為最大值，即第一宇宙速度。 關(guān)于第二宇宙速度和第三宇宙速度，讓學(xué)生了解它們的物理含義，不作定量的計(jì)算，以此拓展學(xué)生想像和思考的空間，問(wèn)題留給學(xué)生，對(duì)此有興趣的同學(xué)可以在課余時(shí)間研究。 另外，結(jié)合前面學(xué)過(guò)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，還可以適當(dāng)補(bǔ)充對(duì)于人造地球衛(wèi)星運(yùn)行周期T、向心加速度、線速度、角速度等的討論，并強(qiáng)調(diào)跟軌道的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 （2）夢(mèng)想成真 教材簡(jiǎn)述了人類航天事業(yè)的發(fā)展史，特別例舉了成功發(fā)射的人造地球衛(wèi)星的幾個(gè)實(shí)例，在這部分內(nèi)容里，建議教師結(jié)合前面的理論分析，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)于實(shí)例中的衛(wèi)星進(jìn)行一些定量的計(jì)算，比如：“1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6kg，每96min繞地球飛行一圈。”可以問(wèn)學(xué)生：這顆衛(wèi)星的軌道半徑是多少？衛(wèi)星距地面的高度是多少？衛(wèi)星運(yùn)行的角速度多大？既鞏固了勻速圓周運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)在人造衛(wèi)星問(wèn)題方面的實(shí)際運(yùn)用，還增加學(xué)生對(duì)于這類問(wèn)題的興趣。在“問(wèn)題與練習(xí)”中，就2003年我國(guó)成功發(fā)射的神舟5號(hào)宇宙飛船有類似的計(jì)算。這節(jié)內(nèi)容，既介紹了航天成就，又談到人類為此付出的代價(jià)。全文最后說(shuō)：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來(lái)自面對(duì)不解之謎”。以激勵(lì) 1．地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn) 【例題】已知地球半徑R＝6400km，運(yùn)轉(zhuǎn)周期T＝24h＝243600s，地球質(zhì)量M＝5.981024kg，求同步衛(wèi)星的軌道高度h？ 解析：同步衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力同萬(wàn)有引力提供，根據(jù)向心力公式有： 代入數(shù)值解得：h＝3.6107m。 （說(shuō)明：可以用GM＝R2g來(lái)計(jì)算） 【鞏固練習(xí)】 ①所有地球同步衛(wèi)星的線速度v、軌道半徑r（距地面高度h）、周期T、角速度ω等是否相同？ ②用m表示同步衛(wèi)星的質(zhì)量，h表示它離地面的高度，R0表示地球半徑，g0表示地球表面的重力加速度，ω0表示地球自轉(zhuǎn)角速度，則同步衛(wèi)星所受地球?qū)λ娜f(wàn)有引力大小是 A．mω0R0　　　　　　　 B．mR20g0/(R0＋h)2 C． D．mω20(R0＋h) 答案：BCD （用多媒體放映“航天技術(shù)的發(fā)展和宇宙航行”的錄像資料，使學(xué)生了解我國(guó)在航天技術(shù)上所取得的巨大成就） 2．地球同步衛(wèi)星的“五定” 定周期（運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點(diǎn)（每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。 四、夢(mèng)想成真 探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空，是人類自古以來(lái)的夢(mèng)想。 地球是人類的搖籃，但是人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里。 ——齊奧爾科夫斯基 1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6 kg，每96min繞地球飛行一圈。 幾年之后，1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船?；鸺c(diǎn)火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時(shí)108 min，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。 1969年7月16日9時(shí)32分，阿波羅11號(hào)飛船在美國(guó)卡納維拉爾角點(diǎn)火升空，拉開(kāi)人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月19日，飛船進(jìn)入月球軌道。7月20日，指揮長(zhǎng)阿姆斯特朗和駕駛員奧爾德林進(jìn)入登月艙，與母船分離后于下午4時(shí)17分在月面著陸。10時(shí)56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并說(shuō)出了那句載入史冊(cè)的名言：“對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)，這不過(guò)是小小的一步，但對(duì)人類而言，卻是巨大的飛躍。”人們祝賀說(shuō)：“由于你們的成功，天空已成為人類世界的一部分?！? 1992年，中國(guó)載人航天工程正式啟動(dòng)。2003年10月15日9時(shí)，我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng)。這次成功的發(fā)射實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢(mèng)想，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開(kāi)展載入航天活動(dòng)的國(guó)家，為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對(duì)于宇宙之宏大，地球和月亮不過(guò)是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對(duì)于宇宙之久長(zhǎng)，人類歷史不過(guò)是宇宙年輪上一道小小的刻痕……宇宙留給人們的思考和疑問(wèn)深邃而廣闊。宇宙有沒(méi)有邊界？有沒(méi)有起始和終結(jié)？地外文明在哪里？…… 愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來(lái)自面對(duì)不解之謎。”你想加入破解它的行列嗎？ 【課堂練習(xí)】 ①關(guān)于第一宇宙速度，下面說(shuō)法正確的是（　BC?。? 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 ②在環(huán)繞地球運(yùn)行的飛船實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，下面幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中可以正常進(jìn)行的是（　CD?。? A．用天平稱物體的質(zhì)量 B．同彈簧秤稱物體的重力 C．上緊鬧鐘上的發(fā)條 D．用體溫表測(cè)宇航員的體溫 ③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（　AB?。? 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就一定是相同的 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 A B r R A B A B D．一只繞火星飛行的宇宙飛船，宇航員從艙內(nèi)慢慢走出，并離開(kāi)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 ④飛船沿半徑為r的圓周繞地球運(yùn)動(dòng)，其周期為T，如果飛船要返回地面，可在軌道某一點(diǎn)A將速率降低適當(dāng)數(shù)值，從而使飛船沿經(jīng)地心焦點(diǎn)的橢圓軌道運(yùn)行，橢圓與地球表面在B點(diǎn)相切，如圖所示，已知地球半徑為R。試求：飛船由A點(diǎn)到B點(diǎn)所需的時(shí)間。 ⑤在天體運(yùn)動(dòng)中，把兩顆相距較近的恒星稱為雙星，已知A、B兩恒星質(zhì)量分別為M1和M2，兩恒星相距為L(zhǎng)，兩恒星分別繞共同的圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖，求兩恒星的軌道半徑和角速度大小。 ⑥如圖所示，A、B兩顆行星繞同一顆恒星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)方向相同，A的周期為T1，B的周期為T2，在某一時(shí)刻，兩行星相遇（即兩行星相距最近），則： A．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t＝T1＋T2兩行星再次相遇 B．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間兩行星再次相遇 C．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間兩行星再次相遇 D．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間兩行星相距最遠(yuǎn) ⑦有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運(yùn)行，已知它們的軌道半徑之比r1∶r2＝4∶1，求：（1）這顆衛(wèi)星的線速度之比；（2）角速度之比；（3）周期之比；（4）向心加速度之比？ ［小結(jié)］ 通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們學(xué)習(xí)了繞地球飛行的衛(wèi)星情況，了解了描述衛(wèi)星的物理量的特點(diǎn)。知道了第一宇宙速度（環(huán)繞速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脫離速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。要區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度與衛(wèi)星進(jìn)入軌道后的環(huán)繞速度。 ［布置作業(yè)］ 教材第44頁(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”。 板書設(shè)計(jì) 5．宇宙航行 一、人造地球衛(wèi)星 1．牛頓的設(shè)想 2．人造地球衛(wèi)星 （1）人造地球衛(wèi)星 從地面拋出的物體，在地球引力的作用下繞地球旋轉(zhuǎn)，就成為繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。 （2）人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件 地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。 （3）描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的物理量 r M m F v ①衛(wèi)星的向心加速度 ，r↑→a↓。 ②衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度 ，r↑→ω↓。 ③衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度 ，r↑→v↓。 ④衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期 ，r↑→T↑。 二、宇宙速度 1．第一宇宙速度 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity），也叫做地面附近的環(huán)繞速度。 對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑R，則 ＝7.9km/s （諧音“吃點(diǎn)酒”） 2．第二宇宙速度 從地面上發(fā)射人造天體，要使它脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行，所需要的最小發(fā)射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。 ＝11.2 km/s 3．第三宇宙速度 從地面上發(fā)射人造天體，使它不僅能脫離地球的引力，而且還能脫離太陽(yáng)系的引力束縛，這時(shí)所需要的最小發(fā)射速度，叫第三宇宙速度，也稱為逃逸速度。 v3＝16.7km/s 三、同步衛(wèi)星簡(jiǎn)介 1．地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn) （1）衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星位于地球赤道的正上方，運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。 （2）衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期相同，或角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。 2．地球同步衛(wèi)星的“五定” 定周期（運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同）；定軌道平面（軌道平面與赤道平面重合）；定高度（離地高度為36000km），定速度（線速度均為3.1103m/s）；定點(diǎn)（每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上）。 四、夢(mèng)想成真 教學(xué)反思