高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 宇宙航行教案

第七章　万有引力与宇宙航行

第4节　宇宙航行

“宇宙航行”介绍了万有引力的实践性成就，万有引力理论使人类实现“飞天”梦想。本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，引起学生兴趣。同时注意方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免套公式的不良习惯。围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。

物理观念：理解卫星的运行速度、周期与半径的关系，建立起关于各种卫星的运行状况的正确图景

科学思维：通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力

科学探究：通过对卫星运动规律的研究，帮助学生建立起关于各种人造地球卫星运行状况的正确图景。帮助学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯

科学态度与责任：感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。

1、教学重点：第一宇宙速度的推导

2、教学难点：人造卫星运行速度与卫星发射速度的区别

多媒体课件

【新课导入】

人类对太空存在着各种的幻想，比如古代的嫦娥奔月，明朝万户利用炮竹自制火箭。随着科技的发展，我国的航天员也在太空中留下了中国人的足迹。今有王亚平太空授课，而且中国至今发射了几十颗人造卫星。前面我们了解并学习了万有引力定律的应用，这一节我们着重学习人类是如何应用万有引力定律实现自己探索宇宙的梦想的

【新课内容】

一、牛顿关于卫星的设想

 地面上抛出的物体,由于受到地球引力的作用,最终都要落回到地面。

1.月球也要受到地球引力的作用,为什么月亮不会落到地面上来?

由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转,此时月球受到的地球引力,用来充当绕地球运转的向心力,故月球不会落到地面上来.

牛顿就曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来.而围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星，简称人造卫星

由此可见，人造地球卫星运行遵从的规律是：卫星绕地球做匀速圆周运动，地球对卫星的引力提供向心力。

问题

如图所示，四条轨道中可以作为卫星轨道的是哪一条？

卫星运动轨道特点：

   万有引力提供向心力，所以轨道平面一定经过地球中心，卫星围绕地球的中心做匀速圆周运动。二、宇宙速度

问题:

       人造卫星的发射速度至少达到多少才能绕地球做稳定的圆周运动?

建立模型：卫星绕地球做匀速圆周运动

基本思路：卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供。

已知地球半径R=6400km，地球质量M=6.0×1024kg，卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度有多大？

又∵

∴

１.第一宇宙速度

(1)第一宇宙速度：v=7.9km/s，物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也称为“最小发射速度”。

(2)发射速度是指卫星在地面附近离开发射火箭的初速度。假若卫星发射后不再补充能量，那么要发射一颗人造地球卫星，其发射速度就不能小于第一宇宙速度。

(3)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由G＝m可得v＝，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度

2.第二与第三宇宙速度

（1）第二宇宙速度：v=11.2km/s，物体会克服地球的引力，永远离开地球。

说明：若速度大于7.9km/s

而小于11.2km/s，物体绕地球运动的轨迹不是圆，是椭圆，但还在地球的引力范围之内。

（2）第三宇宙速度：v=16.7km/s，物体会挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外。

三、人造卫星运行规律

可见：v、ω、T 与 r 为  一 一对应关系；高轨道上运行的卫星，线速度小、角速度小，周期长。

四、同步卫星

1．三类人造地球卫星轨道：

赤道轨道、极地轨道与倾斜轨道

2.同步卫星：

相对于地面静止的人造卫星，它在轨道上跟着地球自西向东同步地做匀速圆周运动，轨道平面与赤道平面重合，T＝24h.

3、同步卫星的高度h（距地表的距离）

由F引=Fn有：

解得:h=5.5R

4.同步卫星特点

（1）周期一定：它的运动周期等于地球自转的周期T＝24h。

（2）角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。

（3）道上随地球做匀速圆周运动，其轨道离地面的高度约为3.59×104km。

（4）环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，约为3.08km/s。

（5）向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的向心加速度大小都相同，约为0.23m/s2

五、卫星的发射与变轨

思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？

宇宙飞船与空间站对接问题

 空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何登到空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。

思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？

飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。

通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。