人教版 (新课标)必修25.宇宙航行教案设计

这是一份人教版 (新课标)必修25.宇宙航行教案设计，共8页。教案主要包含了人造地球卫星，宇宙速度，同步卫星简介，梦想成真等内容，欢迎下载使用。

知识与技能
1．了解人造卫星的有关知识；
2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
过程与方法
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。
情感、态度与价值观
1．通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情；
2．感知人类探索宇宙的梦想．促使学生树立献身科学的人生价值观。
教学重点
第一宇宙速度的推导。
教学难点
运行速率与轨道半径之间对应的关系。
教学方法
探究、讲授、讨论、练习。
教具准备
多媒体课件
教学过程
［新课导入］
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天时代的新纪元。我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不同种类的卫星，掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术，1999年发射了“神舟”号试验飞船。
随着现代科学技术的发展，我们对人造卫星已有所了解，那么地面上的物体在什么条件下才能成为人造卫星呢？人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。
［新课教学］
一、人造地球卫星
1．牛顿的设想
在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？
它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远。因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。
假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？
如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。
2．人造地球卫星
（1）人造地球卫星
从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。
（2）人造地球卫星必须满足的条件
地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。
（3）描述卫星运动的物理量
设地球的质量为M，卫星的质量为m，地球的半径为R，卫星离地面的高度为h，则卫星的轨道半径r＝R＋h，设卫星在轨道上运动的向心加速度为a，线速度为v，角速度为ω，周期为T，根据万有引力提供人造卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系，得：
r
M
m
F
v
①卫星的向心加速度
，r↑→a↓。
②卫星运动的角速度
，r↑→ω↓。
③卫星运动的线速度
，r↑→v↓。
④卫星运动的周期
，r↑→T↑。
当人造卫星环绕地球表面运动时，rmin＝R，Tmin＝5060s。所以不可能在地球上发射一颗周期是80min的卫星。
强调卫星的轨道与相关各量的一一对应性。
二、宇宙速度
设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转，卫星绕地球运转的向心力由地球的万有引力来提供。由知，距地面越高的卫星运转速率越小。
【思考讨论】是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？
向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功。
1．第一宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first csmetic velcity），也叫做地面附近的环绕速度。
对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则
＝7.9km/s
2．第二宇宙速度
如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，此时卫星的运行轨道又如何呢？
①当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，而小于11.2 km/s，它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆。②当物体的速度等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。(此时轨道为抛物线)
从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。
＝11.2 km/s
3．第三宇宙速度
达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度发射的人造天体，其轨道为双曲线)
从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。
v3＝16.7km/s
三、同步卫星简介
(向学生介绍有关卫星的轨道问题：让学生画出他认为可能的轨道，逐一分析，得出卫星的轨道要想稳定，轨道必须在通过地球球心的大圆轨道内。介绍轨道平面、轨道倾角等概念；介绍极地轨道、赤道轨道等轨道类型)
F1
F2
F
同步卫星是指相对于地球静止，即始终在地球某一位置的正上方。因而，同步卫星必须有一定的条件。
首先，卫星的运动方向必须与地球的自转方向一致，且和地球自转的角速度要相同。
如图所示，假定卫星m在赤道上空以外的某空间随地球转动，其受力为地球对它的万有引力F，将F分解为指向地轴的分力F1，该力作为卫星随地球转动的向心力，另一分力为F2，实际中找不到与F2相平衡的力，所以卫星将落向赤道平面，此时地球对卫星的万有引力全部作为向心力，所以同步卫星只能定点在赤道上空。
1．地球同步卫星的特点
（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。
（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。
【例题】已知地球半径R＝6400km，运转周期T＝24h＝24×3600s，地球质量M＝5.98×1024kg，求同步卫星的轨道高度h？
解析：同步卫星作匀速圆周运动所需的向心力同万有引力提供，根据向心力公式有：
代入数值解得：h＝3.6×107m。
（说明：可以用GM＝R2g来计算）
2．地球同步卫星的“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真
探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。
真正为人类迈向太空提供科学思想的，是生于19世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基。他指出，利用喷气推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效的工具。
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。
——齐奥尔科夫斯基
1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6 kg，每96min绕地球飞行一圈。
几年之后，1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。
1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月19日，飞船进入月球轨道。7月20日，指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母船分离后于下午4时17分在月面着陆。10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。”
1992年，中国载人航天工程正式启动。2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。这次成功的发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载入航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。
尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？……
爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解它的行列吗？
［小结］
通过本节课的学习，我们学习了绕地球飞行的卫星情况，了解了描述卫星的物理量的特点。知道了第一宇宙速度（环绕速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脱离速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。要区分卫星的发射速度与卫星进入轨道后的环绕速度。
［布置作业］
教材第44页“问题与练习”。
板书设计
5．宇宙航行
一、人造地球卫星
1．牛顿的设想
2．人造地球卫星
（1）人造地球卫星
从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。
（2）人造地球卫星必须满足的条件
地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。
（3）描述卫星运动的物理量
r
M
m
F
v
①卫星的向心加速度
，r↑→a↓。
②卫星运动的角速度
，r↑→ω↓。
③卫星运动的线速度
，r↑→v↓。
④卫星运动的周期
，r↑→T↑。
二、宇宙速度
1．第一宇宙速度
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first csmetic velcity），也叫做地面附近的环绕速度。
对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则
＝7.9km/s
2．第二宇宙速度
从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脱离速度。
＝11.2 km/s
3．第三宇宙速度
从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。
v3＝16.7km/s
三、同步卫星简介
1．地球同步卫星的特点
（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。
（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。
2．地球同步卫星的“五定”
定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。
四、梦想成真