2019-2020年高中物理 《飛出地球去》教案 滬科版必修2.doc

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2019-2020年高中物理 《飛出地球去》教案 滬科版必修2 一、教學(xué)目標(biāo) 1、知識與技能： （1）了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識，正確理解人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動時，各物理量之間的關(guān)系。 （2）知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度。 2、過程與方法： （1）通過用萬有引力定律來推導(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。 3、情感態(tài)度與價值觀： （1）通過介紹我國在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。 （2）感知人類探索宇宙的夢想，促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生價值觀。 二、教學(xué)內(nèi)容剖析 1、 本節(jié)課的地位和作用： 本節(jié)內(nèi)容主要介紹了宇宙速度、人造地球衛(wèi)星、宇宙航天器等內(nèi)容，人們在應(yīng)用萬有引力定律研究天體運(yùn)動的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)人類的航天夢想，為科學(xué)研究、人類生活服務(wù)方面做出巨大的貢獻(xiàn)。通過本節(jié)學(xué)習(xí)了解如下知識： (1)第一宇宙速度:物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度, V=或V=,數(shù)值上V1=7.9km/s . (2)第二宇宙速度:克服地球引力,脫離地球的逃逸速度.V2=11.2km/s. (3)第三宇宙速度:在地面附近發(fā)射物體掙脫太陽引力束縛的速度, V3=11.2km/s. 2、本節(jié)課教學(xué)重點(diǎn)： 對第一宇宙速度的推導(dǎo)過程和方法，了解第一宇宙速度的應(yīng)用領(lǐng)域。 3、本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)： 1、人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度的區(qū)別。 2、掌握有關(guān)人造衛(wèi)星計算及計算過程中的一些代換。 三、 教學(xué)思路與方法 這節(jié)內(nèi)容是萬有引力理論的成就在生活中的應(yīng)用,與我們的生活密切相關(guān),讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中感受到物理就在我們的身邊,與我們的生活時刻聯(lián)系在一起.從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)和生活、和社會聯(lián)系的思考，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，激發(fā)學(xué)生獻(xiàn)身科學(xué)的熱情，對學(xué)生科學(xué)價值觀的形成起到重要的作用。 四、 教學(xué)準(zhǔn)備 多媒體課件， 細(xì)線，塑料瓶。 課堂教學(xué)設(shè)計 教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)內(nèi)容 師生互動 設(shè)計意圖 備注 引入 地面上的物體，怎樣才能成為人造地球衛(wèi)星呢？ 300多年前，牛頓提出設(shè)想 放影片。 設(shè)地球質(zhì)量為M，半徑為R。人造地球衛(wèi)星在圓軌道上運(yùn)行，質(zhì)量為m，軌道半徑為r。那么，在該軌道上做勻速圓周運(yùn)動的衛(wèi)星的速度v如何推算？ 衛(wèi)星離地心越遠(yuǎn)，它運(yùn)行的速度越慢。 師：1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類航天時代的新紀(jì)元。我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星，掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)，99年發(fā)射了“神舟”號試驗飛船。這節(jié)課，我們要學(xué)習(xí)有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識。衛(wèi)星在地球上空繞行時遵循這樣的規(guī)律，那衛(wèi)星是如何發(fā)射到地球上空的呢？ 師：牛頓設(shè)想在高山上有一門大炮，水平發(fā)射炮彈，初速度越大，水平射程就越大，可以想象當(dāng)初速度足夠大時，這顆炮彈將不會落到地面，將和月球一樣成為地球的一顆衛(wèi)星。 師：你思考這種設(shè)想可能么？ （學(xué)生思考） 生：可能，理由是當(dāng)物體的重力去充當(dāng)圓周運(yùn)動的向心力的時候，物體可以成為衛(wèi)星，不過，這應(yīng)該需要很大的速度。 從衛(wèi)星等物理學(xué)歷史出發(fā)開始本節(jié)課的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 近地衛(wèi)星及第一宇宙速度 近地面的衛(wèi)星的速度是多少呢？ 這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動所必須具有的最低發(fā)射速度，叫做第一宇宙速度。 思考：我們能否發(fā)射一顆周期為70min的衛(wèi)星呢？ 提示 ：同學(xué)們算算，近地衛(wèi)星的周期又是多少呢？ 不能??！ 師：牛頓實驗中，炮彈至少要以多大的速度發(fā)射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動？地球半徑為6370km。 （生思考并計算） 生：在地面附近繞地球運(yùn)行，軌道半徑即為地球半徑。由萬有引力提供向心力： ， 得出發(fā)射速度小于7.9km/s。 師：對，如果發(fā)射速度小于7.9km/s，炮彈將落到地面，而不能成為一顆衛(wèi)星；發(fā)射速度等于7.9km/s，它將在地面附近作勻速圓周運(yùn)動；要發(fā)射一顆半徑大于地球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須大于7.9km/s。可見，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難。 師：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運(yùn)動所必須具有的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。在地面附近，物體的萬有引力等于重力，此力天空衛(wèi)星做圓周運(yùn)動的向心力，能否從這一角度來推導(dǎo)第一宇宙速度呢？ mg= mv2/r v= ≈7.9km/s 師：思考我們能否發(fā)射一顆周期為70min的人造地球衛(wèi)星呢？（提示：算一算近地衛(wèi)星其周期是多少？近地衛(wèi)星由于半徑最小，其運(yùn)行周期最大。） 生：不可以，當(dāng)運(yùn)行軌道為最小時，得出周期為84.5min。大于70min，所以不可以。 讓學(xué)生親歷知識的導(dǎo)出過程，體驗成功的樂趣是新課程的重要理念．同時讓學(xué)生自己探究問題，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動機(jī)，同時也可以使他們養(yǎng)成善于運(yùn)動知識的習(xí)慣 第二宇宙速度和第三宇宙速度，發(fā)射速度與運(yùn)行速度 第二宇宙速度 大小。 使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。 第三宇宙速度 大?。?。 使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度 1、發(fā)射速度：是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的速度。 ①宇宙速度均指發(fā)射速度 ②第一宇宙速度為在地面發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，也是環(huán)繞地球運(yùn)行的最大速度 2、運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動的速度。 第二宇宙速度 師：當(dāng)衛(wèi)星的速度達(dá)到11.2km/s，使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。 發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的軌跡為橢圓；等于或大于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行。 師：當(dāng)發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 當(dāng)發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運(yùn)動，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。 師：發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補(bǔ)充的衛(wèi)星，所以它的速度要多大？ （學(xué)生思考） 生：要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。 師：運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動的線速度。那么它的速度有沒有極值？有是多大？ （思考與討論） 生：當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時，運(yùn)行速度小于第一宇宙速度。 通過推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題，探索問題，及最后得出結(jié)論。 地球同步衛(wèi)星 五、地球同步衛(wèi)星 1、所謂地球同步衛(wèi)星是指相對于地面靜止的人造衛(wèi)星，它在軌道上跟著地球自轉(zhuǎn)，同步地做勻速圓周運(yùn)動，它的周期：T＝24h 2、所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上 ，即同步衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星離地面高度為定值。 思考：地球同步衛(wèi)星能否位于北京正上方某一確定高度h ？ 所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上。 注：為了衛(wèi)星之間不互相干擾，大約3左右才能放置1顆，這樣地球的同步衛(wèi)星只能有120顆?？梢姡臻g位置也是一種資源。 近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、月球三者比較 例題分析（雙星問題） 　　　 ①雙星的向心力大小相同 ②雙星的角速度相同 師：從地球的同步衛(wèi)星的定義中找出同步衛(wèi)星的特點(diǎn)： 生：同步衛(wèi)星與地面相對靜止，與地球自轉(zhuǎn)同步，周期為24h。 生：同步衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。 生：同步衛(wèi)星定點(diǎn)在赤道正上方，離地高度、運(yùn)行速率是唯一確定的。 師：萬有引力提供衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力，而同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，所以其軌道平面必定與赤道平面重合，且所有同步衛(wèi)星都在赤道正上方。 師：思考地球同步衛(wèi)星能否位于北京正上方某一確定高度h ？ 生：所有的同步衛(wèi)星只能分布在赤道上方的一個確定軌道上，而北京處在北半球 ，故上空一定不可能有同步衛(wèi)星。 師：設(shè)地球質(zhì)量M，半徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T，同步衛(wèi)星質(zhì)量m，離地高度h，請計算同步衛(wèi)星離地面的高度。 （學(xué)生計算） 生：由牛頓第二定律： ∴又 ∵ ∴ 可見：同步衛(wèi)星的離地高度、線速度大小是唯一確定的。代入具體數(shù)據(jù)可得。 雙星問題： 師：在天體運(yùn)動中，將兩顆彼此距離較近，且相互繞行的行星稱為雙星。已知兩行星質(zhì)量分別為M1和M2，它們之間距離為L，求各自運(yùn)轉(zhuǎn)半徑和角速度的關(guān)系怎樣？向心力由什么提供。 生：本題中，雙星之間有相互吸引力而保持距離不變，則這兩行星一定繞著兩物體連線上某點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動，設(shè)該點(diǎn)為O，如圖所示，M1OM2始終在一條直線，M1和M2角速度相等，它們之間萬有引力提供向心力。 解：設(shè)M1離開O點(diǎn)的距離為R，則M2離開O點(diǎn)的距離為L-R，它們繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動的加速度均為ω，則有牛頓第二定律，對兩個行星分別有 師：雙星是一個整體，圍繞著它們的質(zhì)心轉(zhuǎn)動，所以加速度ω相同，兩星之間由萬有引力相維系，它們到質(zhì)心的距離與它們的質(zhì)量成反比。 培養(yǎng)學(xué)生通過分析，自己找到答案的能力。 例題 例1、鐵路轉(zhuǎn)彎處的圓弧半徑是300m，軌距是1435mm。規(guī)定火車通過這里的速度是72km/h，內(nèi)外軌的高度差應(yīng)該是多大才能使外軌不受輪緣的擠壓？保持內(nèi)外軌的這個高度差，如果車的速度大于或小于72km/h，會分別發(fā)生什么現(xiàn)象？說明理由。 析：火車在轉(zhuǎn)彎時所需的向心力由火車所受的重力和軌道對火車支持力的合力提供，如圖所示： 例2、一輛汽車m=2.0103kg在水平公路上行駛，經(jīng)過半徑r=50m的彎路時，如果車速度v=72km/h，這輛汽車會不會發(fā)生事故？已知輪胎與路面間的最大靜摩擦力fm= 1.4104N。 析：這輛汽車經(jīng)過彎路時所需向心力 由地面的靜磨擦力提供據(jù)題意，最大靜摩擦力只為1.4104N，所以汽車會發(fā)生事故。 例3. 如圖甲、乙所示，質(zhì)量為m的物體，分別在半徑為R的凸形和凹形圓面上做圓周運(yùn)動，到達(dá)圓面的頂端和底端時速度均為，分別求出物體對圓面的壓力。 解析 取球為研究對象，受力如圖所示，則： ① ② 得： ， 由牛頓第三定律，物體對圓面的壓力： ，方向：指向圓心。，方向：背離圓心。 答案： ， 例題4、如圖所示被一細(xì)繩系住的小球質(zhì)量為50g，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，半徑r=0.2m，小球轉(zhuǎn)數(shù)為120r/min，求小球受到的向心力的大小，并回答這一向心力是由什么力提供的。 解：n=120r/min=2r/s F向心力是由什么力提供的？ 分析小球的受力情況 F向心力指向圓心，即：G與N的合力指向圓心將T分解如圖所示 T2=G T1=F向心力 初步把握本節(jié)的知識，并用它來解決實際問題。不要空洞的說教，在實戰(zhàn)中了解、積累解決問題的經(jīng)驗。印象深刻，避免不必要的重復(fù)學(xué)習(xí)。 小結(jié) 小結(jié)： 一、宇宙速度 1、第一宇宙速度（環(huán)繞速度） v1=7.9km/s 2、第二宇宙速度（脫離速度） v2=11.2km/s 3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s 二、同步衛(wèi)星 1、周期T=24h 2、衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合 學(xué)生課后鞏固，總擴(kuò)本節(jié)的知識及內(nèi)容。 作業(yè) 作業(yè)： 1、航天事業(yè)正改變著人類的生活，請你到網(wǎng)上查閱，近幾年的航天大事的資料，闡述年的觀點(diǎn)，與同學(xué)交流。 2、做課后題目1、2、3。 通過上網(wǎng)查閱了解知識內(nèi)容，通過題目進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力，符合新課標(biāo)的理念。 視野拓展 宇宙航行 宇宙航行是以整個宇宙空間為活動環(huán)境的，因此，我們必須對宇宙環(huán)境有一定的了解，就像汽車司機(jī)要了解道路環(huán)境，登山運(yùn)動員要了解山地環(huán)境，航海人員要了解海洋環(huán)境一樣。 　　在人類進(jìn)入太空以前，對人才環(huán)境只能進(jìn)推測和理淪研究。與人類對飛天的向往一樣，人們構(gòu)想了美麗的“天堂”，便有“上有天堂，下有蘇杭”的比喻?，F(xiàn)在我們知道，如果“天堂”是指太空的話，就生存環(huán)境來說，那是極大的謬誤。 　　自宇宙大爆炸以后，隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低。雖然隨后有恒星向外輻射熱能，但恒星的數(shù)量是有限的，而且其壽命也是有限的，所以宇宙的總體溫度是逐漸下降的。經(jīng)過100多億年的歷程，太空已經(jīng)成為高寒的環(huán)境。對宇宙微波背景輻射（宇宙大爆炸時遺留在太空的輻射）的研究證明，太空的平均溫度為一270.3℃。 　　在太空中，不僅有宇宙大爆炸時留下的輻射，各種天體也向外輻射電磁波，許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線。例如，銀河系有銀河宇宙線輻射，太陽有太陽電磁輻射、太陽宇宙線輻射（太陽耀斑爆發(fā)時向外發(fā)射的高能粒子）和太陽風(fēng)（由太陽日冕吹出的高能等離子體流）等。許多天體都有磁場，磁場俘獲上述高能帶電粒了，形成輻射性很強(qiáng)的輻射帶，如在地球的上空，就有內(nèi)外兩個輻射帶。由此可見，太空還是一個強(qiáng)輻射環(huán)境。 　　宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氫和氦兩種元素，其中氫占3/4，氦占1/4。后來它們大多數(shù)逐漸凝聚成團(tuán)，形成星系和恒星。恒星中心的氫和氨遞次發(fā)生核聚變，生成氧、氮、碳等較重的元素。在恒星死亡時，剩下的大部分氫和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中主要的仍然是氫，但非常稀薄，每立方厘米只有0.l個氫原于，在星際分了云中稍多一此，每立方厘米約1萬個左右。我們知道，在地球大氣層中，每立方厘米含有1010個氮和氧分子。由此可見，太空是一個高真空環(huán)境。