2019-2020年高中物理 第六章 萬(wàn)有引力與航天 第五節(jié) 宇宙航行教案 新人教版必修2.doc
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2019-2020年高中物理 第六章 萬(wàn)有引力與航天 第五節(jié) 宇宙航行教案 新人教版必修2 課 時(shí):一課時(shí) 教 師: 教學(xué)重點(diǎn) 會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度,了解第二、第三宇宙速度. 教學(xué)難點(diǎn) 運(yùn)行速率與軌道半徑之間的關(guān)系. 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1.了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí). 2.知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度. 3.通過(guò)實(shí)例,了解人類對(duì)太空的探索歷程. 過(guò)程與方法 1.能通過(guò)航天事業(yè)的發(fā)展史說(shuō)明物理學(xué)的發(fā)展對(duì)于自然科學(xué)的促進(jìn)作用. 2.通過(guò)用萬(wàn)有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力. 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1.通過(guò)對(duì)我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的了解,進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義的教育. 2.關(guān)心國(guó)內(nèi)外航空航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),有將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識(shí). 導(dǎo)入新課 萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn),不僅解決了天上行星的運(yùn)行問(wèn)題,也為人們開(kāi)辟了上天的理論之路. 現(xiàn)代火箭航天技術(shù)先驅(qū)、俄國(guó)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基曾說(shuō)過(guò):“地球是人類的搖籃,人類絕不會(huì)永遠(yuǎn)躺在這個(gè)搖籃里,而會(huì)不斷地探索新的天體和空間.”1957年10月4日,前蘇聯(lián)用三級(jí)火箭發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星——“旅行者1號(hào)”,人類開(kāi)始邁入航天時(shí)代. 2003年10月15日,“神舟五號(hào)”飛船載著中國(guó)第一位航天員楊利偉成功升空,這標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入了載人航天時(shí)代. 那么,多大的速度才能使物體不再落回地面,而使其成為地球的一顆衛(wèi)星呢? 學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之后便可解決上述問(wèn)題了. 推進(jìn)新課 一、宇宙速度 問(wèn)題探究: 1、在地面拋出的物體為什么要落回地面? 2、月球也要受到地球引力的作用,為什么 月亮不會(huì)落到地面上來(lái)? 3、平拋物體的速度逐漸增大,物體的落地點(diǎn)如何變化?速度達(dá)到一定值后,物體還能否落回地面?若不能,此速度必須滿足什么條件?若此速度再增大,又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象? 4、什么叫人造地球衛(wèi)星? 組織學(xué)生討論、交流,大膽猜測(cè). 結(jié)論:1.平拋物體的速度逐漸增大,物體的落地點(diǎn)逐漸變大. 2.速度達(dá)到一定值后,物體將不再落回地面. 3.物體不落回地面時(shí)環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),所受地球的引力恰好用來(lái)提供向心力,滿足=v=. 4.若此速度再增大,物體不落回地面,也不再做勻速圓周運(yùn)動(dòng),萬(wàn)有引力不能提供所需要的向心力,從而做離心運(yùn)動(dòng),軌道為橢圓軌道. 教師引導(dǎo)學(xué)生共同探究出: 1.人造衛(wèi)星:物體繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),此物體成為地球的衛(wèi)星. 2.衛(wèi)星軌道:可以是圓軌道,也可以是橢圓軌道. 衛(wèi)星繞地球沿圓軌道運(yùn)行時(shí),由于地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力,而萬(wàn)有引力指向地心,所以,地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心.衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步衛(wèi)星),也可以和赤道平面垂直,還可以和赤道平面成任一角度. 衛(wèi)星繞地球沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí),地心是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn),其周期和半長(zhǎng)軸的關(guān)系遵循開(kāi)普勒第三定律. 3.衛(wèi)星的種類: 衛(wèi)星主要有偵察衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、地球資源勘測(cè)衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星和測(cè)地衛(wèi)星等種類. 4.衛(wèi)星的運(yùn)行: 衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí),衛(wèi)星的軌道可視為圓形,這樣衛(wèi)星受到的萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力. 1)教材在推導(dǎo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)候,選取的衛(wèi)星軌道的形狀是什么?衛(wèi)星的所有軌道都是這種形狀嗎? 2)人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)向心力從何而來(lái)?衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)方程是什么? 3)請(qǐng)關(guān)閉書(shū)本后推導(dǎo)出衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的速度表達(dá)式 4)如果衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)而不落回地面,它的速度大小與衛(wèi)星離開(kāi)地面的高度的關(guān)系是怎樣的?能否根據(jù)這個(gè)關(guān)系得出結(jié)論,將衛(wèi)星發(fā)射得越高越容易?為什么? 5)衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的最小半徑是多少? 6)在地面附近的物體要成為衛(wèi)星而不落回地面,必須給它至少以多大的速度才行?這個(gè)速度是怎樣計(jì)算出來(lái)的? 人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律: 設(shè)衛(wèi)星的軌道半徑為r,線速度大小為v,角速度為ω,周期為T,向心加速度為a. 根據(jù)萬(wàn)有引力定律與牛頓第二定律得 G=ma=m=mrω2=mr 所以,衛(wèi)星運(yùn)行速度、角速度、周期和半徑的關(guān)系分別為: v=,ω=,T=. 問(wèn)題討論: 1、能不能發(fā)射這樣的地球衛(wèi)星,它繞地球的軌道平面不經(jīng)過(guò)地球的球心?為什么? 2、人造衛(wèi)星的軌道平面有何特點(diǎn)?你知道為什么嗎? 3、為什么實(shí)際的衛(wèi)星軌道只能大氣層外?地球同步衛(wèi)星的含義是什么? 4、為什么地球同步衛(wèi)星軌道平面一定和地球的赤道平面重合? 關(guān)于地球同步衛(wèi)星 對(duì)同步衛(wèi)星有什么要求? 周期T、軌道面、半徑 r、運(yùn)行速度 V、繞行方向 地球同步衛(wèi)星 如果人造地球衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同,轉(zhuǎn)動(dòng)方向也相同,從地面觀察這種衛(wèi)星好像靜止在空中一樣,這就是地球同步衛(wèi)星。 特點(diǎn): 1、定周期:即運(yùn)行周期T等于地球自轉(zhuǎn)周期(24h) 2、定軌道平面:即運(yùn)行平面在赤道平面內(nèi); 3、定高度:即離地面高度h一定(h=3.6104km) 4、定速率:V(3.1km/s) 5、定點(diǎn):赤道上方相對(duì)地面靜止 1.第一宇宙速度:人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度,是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度,v1=7.9 km/s. 人造衛(wèi)星 第一宇宙速度的推導(dǎo):由v=,應(yīng)用近地條件r=R(R為地球半徑),R=6 400 km,代入地球質(zhì)量M=61024 kg,得v==7.9 km/s. 第一宇宙速度的另一種推導(dǎo): 在地面附近,重力等于萬(wàn)有引力,此力提供衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.(地球半徑R、地面重力加速度g已知) 由mg=m得v== m/s=7.9 km/s. 第二宇宙速度:在地面上發(fā)射物體,使之能夠脫離地球的引力作用,成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造衛(wèi)星或飛到其他行星上去所必須達(dá)到的最小發(fā)射速度.v2=11.2 km/s. →人造行星 第三宇宙速度:在地面上發(fā)射物體,使之最后能脫離太陽(yáng)引力的束縛,飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間所必需的最小速度.v3=16.7 km/s. →人造恒星 二、夢(mèng)想成真 1883年,俄國(guó)學(xué)者齊奧爾科夫斯基提出使用火箭發(fā)射宇宙飛船的設(shè)想。 神舟六號(hào)載人航天飛行圓滿成功 問(wèn)題(課件展示): 1.是誰(shuí)真正為人類邁向太空提供了科學(xué)思想? 2.世界上第一顆人造地球衛(wèi)星是哪個(gè)國(guó)家發(fā)射的? 3.最先登上月球的是哪國(guó)人? 4.中國(guó)載人航天工程是哪一年正式啟動(dòng)的? 5.中國(guó)第一個(gè)被送入太空的航天員是誰(shuí)? 學(xué)生閱讀課文“夢(mèng)想成真”這一部分,回答上述問(wèn)題. 明確:1.俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫斯基 2.蘇聯(lián) 3.美國(guó)人 4.1992年 5.楊利偉 點(diǎn)評(píng):通過(guò)閱讀課文,解決問(wèn)題.感知人類探索宇宙的夢(mèng)想,激發(fā)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力,促使學(xué)生樹(shù)立獻(xiàn)身科學(xué)的人生觀、價(jià)值觀. 例1 在圓軌道上質(zhì)量為m的人造地球衛(wèi)星,它到地面的距離等于地球半徑R,地面上的重力加速度為g,則( ). A.衛(wèi)星運(yùn)行的速度為 B.衛(wèi)星運(yùn)行的周期為4π C.衛(wèi)星的加速度為g D.衛(wèi)星的動(dòng)能為mgR 解析:萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力,有G=m 又g= 故v==,A錯(cuò).T===4π,B對(duì). a===,C錯(cuò).Ek=mv2=m=,D對(duì). 答案:BD 總結(jié):衛(wèi)星問(wèn)題的求解,應(yīng)知道萬(wàn)有引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.地球表面的重力加速度g=,當(dāng)M未知時(shí),可用其代換.由于g=經(jīng)常用到,所以叫“黃金公式”. 點(diǎn)評(píng):運(yùn)用現(xiàn)代教育信息技術(shù),把人類第一顆衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)景,我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射、回收等有關(guān)資料片段重現(xiàn)在學(xué)生面前,給學(xué)生大量的生動(dòng)的直觀感受,使學(xué)生的思維在直觀情景中由感性具體上升到思維抽象,準(zhǔn)確地得到人造衛(wèi)星的概念. 1、有兩顆人造衛(wèi)星,都繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),已知它們的軌道半徑之比r1∶r2=4∶1,求這兩顆衛(wèi)星的:(1)線速度之比;(2)角速度之比;(3)周期之比;(4)向心加速度之比. 參考答案: 解答:(1)由G=m 得v= 所以v1∶v2=1∶2. (2)由G=mω2r 得ω= 所以ω1∶ω2=1∶8. (3)由T= 得T1∶T2=8∶1. (4)由G=ma 得a1∶a2=1∶16. 2、我國(guó)將要發(fā)射一顆繞月運(yùn)行的探月衛(wèi)星“嫦娥1號(hào)”.設(shè)該衛(wèi)星的軌道是圓形的,且貼近月球表面.已知月球的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的,月球的半徑約為地球半徑的,地球上的第一宇宙速度約為7.9 km/s,則該探月衛(wèi)星繞月運(yùn)行的速率約為( ). A.0.4 km/s B.1.8 km/s C.11 km/s D.36 km/s 解析:對(duì)于環(huán)繞地球或月球的人造衛(wèi)星,其所受萬(wàn)有引力提供它們做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力,即 G=m 所以v= 第一宇宙速度指的是最小發(fā)射速度,同時(shí)也是近地衛(wèi)星環(huán)繞速度,對(duì)于近地衛(wèi)星來(lái)說(shuō),其軌道半徑近似等于地球半徑 所以=== 所以v月=v地=7.9 km/s≈1.8 km/s. 答案:B 近地衛(wèi)星、 同步衛(wèi)星、月球三者 比較 討論: 1、做圓周運(yùn)動(dòng)的物體什么情況下做離心運(yùn)動(dòng)?什么情況下做近心運(yùn)動(dòng)? 2、衛(wèi)星要想從低軌道到高軌道或從高軌道到低軌道你認(rèn)為怎么辦? 3、同一軌道上的衛(wèi)星后一個(gè)想追上前面一個(gè)怎么辦? 練習(xí)1:如圖所示a為正在繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的宇宙飛船,宇航員發(fā)現(xiàn)在飛船的后面與飛船在同一軌道上有一塊隕石b,為了避免二者相碰,宇航員采取的措施與對(duì)應(yīng)的結(jié)果正確的有( C ) A、使飛船減速,它就能到更高的軌道上,避開(kāi)隕石。 B、使飛船加速,它就能到較 低的軌道上,避開(kāi)隕石。 C、即使不采取任何措施,隕石 也不會(huì)與飛船相碰。 D、應(yīng)該發(fā)射導(dǎo)彈將隕石擊碎才能避免相碰 練習(xí)2、航天飛機(jī)中的物體處于失重狀態(tài),是指這個(gè)物體( C ) A、不受地球的吸引力; B、地球吸引力和向心力平衡; C、對(duì)支持它的物體的壓力為零; D、受地球的吸引力減小了。 課堂小結(jié) 1.知識(shí)小結(jié) 萬(wàn)有引力定律和向心力公式相結(jié)合,可以推導(dǎo)出衛(wèi)星繞行的線速度、角速度、周期和半徑的關(guān)系,記住三種宇宙速度的數(shù)值,結(jié)合航天知識(shí)可以進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算.同步衛(wèi)星是眾多衛(wèi)星當(dāng)中較特殊的一種,認(rèn)識(shí)它的特點(diǎn)和規(guī)律,可以用來(lái)求解很多題目. 2.規(guī)律方法總結(jié) (1)萬(wàn)有引力定律應(yīng)用于衛(wèi)星問(wèn)題,是牛頓第二定律在天體運(yùn)行中的具體應(yīng)用.把握好萬(wàn)有引力定律、牛頓第二定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)及其他力學(xué)知識(shí)的綜合,是解答本節(jié)問(wèn)題的關(guān)鍵. (2)公式G=mg中的g是與r(即軌道半徑)有關(guān)的量,而不是一個(gè)定值,只是在地球表面附近時(shí),g的變化很小,在處理自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,把g作為定值處理了. 布置作業(yè) 1.閱讀教材的科學(xué)漫步欄目——黑洞. 2.上網(wǎng)查閱:(1)人造衛(wèi)星的種類.(2)同步衛(wèi)星的含義及特點(diǎn). 5 宇宙航行 宇宙航行- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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