高中物理人教版第六章萬有引力與航天宇宙航行（省一等獎）

安圖一中物理教案時間：2023年月日課題§宇宙航行課型新授課（2課時）教學(xué)目標知識與技能1．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識．2．知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度．過程與方法通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度．培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決問題的能力．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)生樹立獻身科學(xué)的人生價值觀．教學(xué)重點、難點教學(xué)重點第一宇宙速度的推導(dǎo)．教學(xué)難點運行速率與軌道半徑之間的關(guān)系．教學(xué)方法探究、講授、討論、練習教學(xué)手段教具準備錄像資料、多媒體課件教學(xué)活動（一）引入新課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)習有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識。（二）進行新課1、牛頓的設(shè)想（1）牛頓對人造衛(wèi)星原理的描繪。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。（2）人造衛(wèi)星繞地球運行的動力學(xué)原因。人造衛(wèi)星在繞地球運行時，只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作圓周運動的向心力由萬有引力提供。（3）人造衛(wèi)星的運行速度。設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，軌道半徑為r，由于萬有引力提供向心力，則，∴，可見：高軌道上運行的衛(wèi)星，線速度小。提出問題：角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？，可見：高軌道上運行的衛(wèi)星，角速度小，周期長。引入：高軌道上運行的衛(wèi)星速度小，是否發(fā)射也容易呢？這就需要看衛(wèi)星的發(fā)射速度，而不是運行速度2、宇宙速度（1）第一宇宙速度⑴推導(dǎo)：問題：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動？地球半徑為6370km。分析：在地面附近繞地球運行，軌道半徑即為地球半徑。由萬有引力提供向心力：，得：又∵∴結(jié)論：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?？梢?，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難。⑵意義：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動所必須具有的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。（2）第二宇宙速度大小。意義：使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。注意：發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運動的軌跡為橢圓；等于或大于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行。（3）第三宇宙速度。大小：。意義：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。注意：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。3、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度（1）發(fā)射速度：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)射后再無能量補充，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。（2）運行速度：運行速度指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。當衛(wèi)星“貼著”地面飛行時，運行速度等于第一宇宙速度，當衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時，運行速度小于第一宇宙速度。3．同步衛(wèi)星所謂同步衛(wèi)星，是相對于地面靜止的，和地球具有相同周期的衛(wèi)星，T=24h，同步衛(wèi)星必須位于赤道上方距地面高h處，并且h是一定的。同步衛(wèi)星也叫通訊衛(wèi)星。由得：h=（T為地球自轉(zhuǎn)周期，M、R分別為地球的質(zhì)量，半徑）。代入數(shù)值得h=。例題分析【例題1】有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運行，已知它們的軌道半徑之比r1：r2＝4：1，求這顆衛(wèi)星的：⑴線速度之比；⑵角速度之比；⑶周期之比；⑷向心加速度之比。解：⑴由得所以⑵由得所以⑶由得⑷由得【例題2】地球半徑為6400km，在貼近地表附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星速度為×103解：⑴；⑵由得：思考：能否發(fā)射一顆周期為80min的人造地球衛(wèi)星？（三）.夢想成真(展示問題)師：探索宇宙的奧秘，奔向廣闊而遙遠的太空，是人類自古以來的夢想，那么夢想成真了嗎?請同學(xué)們閱讀教材“夢想成真”部分．生：1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功．1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校加加林進入了“東方一號”載人飛船．火箭點火起飛繞地球飛行一圈，歷時108min，然后重返大氣層，安全降落在地面上，鑄就了人類進入太空的豐碑．1969年7月16日9時32分，“阿波羅11號”成功登臨月球，蛾人航天技術(shù)迅速發(fā)展．1992年，中國載人航天工程正式啟動．2003年10月15日9時，我國“神舟”五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國第一位航天員楊利偉送人太空．飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時23分伴隨著“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．（四）課堂小結(jié)人造地球衛(wèi)星的動力學(xué)原因。宇宙速度。發(fā)射速度與運行速度。例題分析【例題1】有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運行，已知它們的軌道半徑之比r1：r2＝4：1，求這顆衛(wèi)星的：⑴線速度之比；⑵角速度之比；⑶周期之比；⑷向心加速度之比。解：⑴由得所以⑵由得所以⑶由得⑷由得【例題2】地球半徑為6400km，在貼近地表附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星速度為×103解：⑴；⑵由得：思考：能否發(fā)射一顆周期為80min的人造地球衛(wèi)星？學(xué)生活動作業(yè)教材78頁1、2、3板書設(shè)計1、宇宙速度 7.9km/s11.2km/s16.7km/s第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是在軌道上運行的最大速度2、人造地球衛(wèi)星3、同步衛(wèi)星 定點在赤道上空，周期T、高度h、線速度v一定。T=24hh=36000kmv=3.1km/s4、夢想成真（1）世界的成就（2）中國的成就教學(xué)后記課后習題1．關(guān)于人造衛(wèi)星，下列說法中可能的是A．人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運行的速率是7．9km／sB．人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運行的速率是5．0km／sC．人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運行的周期是80minD．人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運行的周期是200min2．觀察到某一行星有顆衛(wèi)星以半徑R、周期T環(huán)繞此行星做圓周環(huán)繞運動，衛(wèi)星的質(zhì)量為m．(1)求行星的質(zhì)量；(2)求衛(wèi)星的向心加速度；(3)若行星的半徑是衛(wèi)星運行軌道半徑的1／l0，那么該行星表面的重力加速度有多大?練習鞏固3．繞地球做勻速圓周運動的人造地球衛(wèi)星衛(wèi)星離地面越高，其線速度越，角速度越，旋轉(zhuǎn)周期越。4，繞地球做圓周運動的人造衛(wèi)星中，有一與內(nèi)壁相接觸的物體，這個物體（）A．受到地球的吸引力和衛(wèi)星內(nèi)壁的支持力的作用B．受到地球的吸引力和向心力的作用C．物體處于失重狀態(tài)，不受任何力的作用D．只受地球吸引力的作用5．當人造衛(wèi)星已進入預(yù)定運行軌道后，下列敘述中正確的是（）A．衛(wèi)星及衛(wèi)星內(nèi)一切物體均不受重力作用B．仍受重力作用，并可用彈簧秤直接稱出物體所受重力的大小C．如果在衛(wèi)星內(nèi)有—物體自由釋放，則衛(wèi)星內(nèi)觀察者將可以看到物體做自由落體運動D．如果衛(wèi)星自然破裂成質(zhì)量不等的兩塊，則該兩塊仍按原來的軌道和周期運行6．地球的半徑為R0，地面的重力加速度為g，一個質(zhì)量為m的人造衛(wèi)星，在離地面高度為h＝R0的圓形軌道上繞地球運行，則（）A．人造衛(wèi)星的角速度為B．人造衛(wèi)星的周期C．人造衛(wèi)星受到地球的引力為D．人造衛(wèi)星的速度7．已知地球的質(zhì)量為M，月球的質(zhì)量為m，月球繞地球的軌道半徑為r，周期為T，引力常量為G，則月球繞地球運行軌道處的重力加速度大小等于()A．B．C．D．8．兩顆人造衛(wèi)星A、B繞地球做圓周運動的周期之比為TA∶TB＝l∶8，則兩顆衛(wèi)星的軌道半徑之比和速率之比分別為()A．4∶1，1∶2B．4∶1，2∶1C．1∶4，2∶1D．1∶4，1∶29．“吳健雄”星的直徑約為32km，密度與地球相近．若在此小行星上發(fā)射一顆衛(wèi)星環(huán)繞其表面運行，它的環(huán)繞速率約為()A．10m／sB．20m／sC．30m／sD．40m／s10．人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，其軌道半徑為R，線速度為v，周期為T，若要使衛(wèi)星的周期變?yōu)?T，可能的方法是()A．R不變，使線速度變?yōu)関／2B．v不變。使軌道半徑變?yōu)?RC．軌道半徑變?yōu)镈．無法實現(xiàn)11．已知地球質(zhì)量約為月球質(zhì)量的81倍，地球半徑約為月球半徑的4倍，在地球上發(fā)射近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度為7，9km／