高中物理 《宇宙航行》教学设计

《宇宙航行》教案

申庭庭 一、教学目标

（一） 知识与技能

（1）了解人造地球卫星运行轨道的有关知识和同步卫星特点； （2）掌握三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度； （3）理解卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系； （4）了解航天发展史； （二）过程与方法

（1）培养学生对科学的探究能力；

（2）培养学生在处理实际问题时合理构建物理模型的能力； （3）培养科学的思维方法，分析、归纳问题的能力。 （三）情感态度与价值观

（1）展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理的热情； （2）介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情；

（3）了解人类探索宇宙的不懈努力，促使学生树立献身科学的人生观和价值观

三、教学重点

（1）第一宇宙速度的推导；

（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别； （3）卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系

四、教学难点

人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；

五、教学方法

启发探究式教学、讲授法、多媒体辅助教学

六、教学准备

多媒体制作，投影仪、地球仪

七、教学过程

（一）时事新闻视频，引入新课

利用多媒体播放新闻视频：美国东部时间2009年2月10日上午11时55分(北京时间11日0时55分)，美一颗通信卫星与一颗俄罗斯报废卫星相撞。目前，在绕地轨道飞行的人造卫星、空间站、太空飞船和太空碎片的数量在不断增加，卫星为什么会相撞？卫星的运动到底存在着什么规律，今天我们就来研究卫星的运动。首先让我们来了解卫星的轨道。

（二）宇宙速度

1．演示水平抛出的粉笔：学生观察落地点的变化，思考落地点为什么会变化？ 2．牛顿的思考与设想：

根据抛出粉笔的演示实验启发学生思考：

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生活中现象，抛出的物体将要落回地面，如何让抛出的物体不再落回地面呢？牛顿认为速度可以战胜引力。

由平抛运动规律知，在地面上将一个物体水平抛出，若抛出时速度越大，则落地点距抛出点的水平距离越大。如果抛出速度很大时，将会怎样？（落地点更远）当落地点很远时，此时还能将地面看作平面吗？（ 不能，应看成圆）

牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。（课本上图片） 牛顿认为：从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。如果抛出的速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。

3、通过具体计算验证牛顿的思想： 讨论问题的提出：

要想把物体抛出去之后象卫星一样绕地球做圆周运动而不掉下来所需要多大的向心力？

具体计算：1Kg物体以1m/s速度绕地球表面运动所需要向心力？接着计算1Kg物体在地球表面所受到的万有引力的大小，比较两者关系。给出具体数据：地球质量为5.89×1024Kg，半径为R=6.37×106m，G=6.67×10-11N·m2/Kg2（分组计算）

提问计算结果，分析数据，万有引力远大于向心力，由圆周运动知识可得，物体将做近心运动落回地面。提高速度至1000m/s，再次计算，分析结果，仍将近心运动。

进一步提出思考，以多大的速度才能不落回地面？（当万有引力等于向心力时，物体恰好做圆周运动不落回地面。）计算这一速度的大小。

利用这样的教学设计，力求真正的体现学生的主体地位和老师的主导作用。强调学生自己探究、自行分析的能力，得出结论：

GMmv2m2r 由此解出vr4、第一宇宙速度：

GM代入数据得v=7．9km/s r就是物体在地面附近做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度。 计算方法：

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GMmv2m2r r第一宇宙速度理解：

（1） 若速度小于第一宇宙速度会怎样？（落回地面） （2） 将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？ （低轨更容易，从能量角度考虑）

展示嫦娥奔月动画模拟：介绍卫星发射变轨过程 5、第二宇宙速度：

当抛出物体的速度继续增大，地球引力将不足以为其做圆周运动提供向心力，物体将会脱离地球引力，离开地球。这个速度为v=11．2km/s。我们把v=11．2km/s叫做第二宇宙速度。如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。

6、第三宇宙速度：

物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。这个速度v=16．7vkm/s。这个速度叫做第三宇宙速度。

（三）人造地球卫星介绍

（1）、通过地球仪介绍卫星的轨道特点

提问：卫星轨道平面可以和某一纬度线重合吗？

提示：从力学角度考虑万有引力提供向心力 结论：卫星轨道圆心一定是地球球心

（2）、介绍卫星的种类：低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步卫星、大椭圆轨道卫星、太阳同步卫星、极轨道卫星等 （3）、同步卫星的运动特点

1、同步卫星轨道平面与地球赤道平面重合

2、同步卫星转动速度方向与地球自转方向相同，周期24h

3、同步卫星转动线速度，角速度，周期及卫星离地面的高度是定值 请学生自己证明同步卫星的轨道高度固定，并计算。

（四）卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

提出思考：目前为止，人类发已经射了几千颗人造地球卫星，这些卫星运行的快慢不同，那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢？

我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动，则有

可得：

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结论：

线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由轨道半径决定。

当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小为地球半径（r=R），此时线速度最大，角速度最大，周期最小。则

=7．9km/s

=1．24×10rad/s

-3

=84min

v1=7.9km/s为卫星绕地球运行的最大运行速度，是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度。

理解第一宇宙速度为卫星绕地球运行的最大环绕速度，最小发射速度。 （五）梦想成真（学生先阅读，然后教师利用多媒体向学生补充航天发展历程）

其实早在六百多年前的明朝，一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举，但最终未能成功，并为之付出了生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个，因此他被世界公认为“真正的航天始祖”，为了纪念这位世界航天始祖，世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。

1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。 1961年4月12日，世界上第一次载人飞行，苏联。 1969年7月16日，人类第一次登上月球，美国。 1070年，中国第一颗人造卫星发射成功。

2003年10月15日，中国第一次载人飞行。

2007年，嫦娥一号成功发射。

2008年9月25日21时10分，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射成功。我国宇航员翟志刚、刘伯明、景海鹏随神七飞上太空。

绽放的不都是礼花：辉煌的背后，往往有着一段辛酸的历史，让我们记住这些人----做出奉献的航天人和在祖国各战线上的非航天人、普通人！致敬！。

1967年1月，美国，格里索姆、查菲和怀特3名美国宇航员在卡纳维尔角进行阿波罗1号飞船模拟发射时，因飞船失火而丧生。

1986年1月28日，美国，挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。 1990年9月7日，美国，一枚大力神火箭的部分箭体在爱德华兹空军基地从吊车上坠地，引发的大火火焰高达45米，造成至少1人死亡。

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2003年2月1日，美国，哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸，七名宇航员遇难。 （六）练习反馈，加深理解：

练习一：利用所学知识，推导第一宇宙速度另一个表达式

vgr

介绍求解人造卫星问题两条基本思路，一是万有引力提供向心力，二是在地球表面万有引力看作重力。

练习二：金星的半径是地球的0.95倍，质量是地球的0.82倍，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的第一宇宙速度是多大？

教师再次点拨引导学生得出解题的两种方法，将计算结果与正确结果进行比较。 将天体运动的椭圆轨道近似为圆。所有环绕中心天体做圆周运动所需向心力，均由中心天体的万有引力提供。 （七）小结与作业布置 1．完成导学练相关练习

2．阅读教科书上P42的科学漫步“黑洞” 3．上网查阅： 人造卫星的种类 （八）板书设计 人造卫星、宇宙速度 一、三个宇宙速度

推导过程 二、卫星轨道介绍 三、同步卫星的特点 四、卫星的运行规律 五、作业布置

教学反思 ：

学生在之前已经学习了圆周运动及万有引力定律，已具备了解决问题的基本工具。本节课主要是对万有引力的应用，这也是本章的核心内容，在讲解时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。

人造卫星是万有引力定律在天文学上的应用，是人类认识自然及改造自然的见证，体现了人类的智慧的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。

我将本节课分为三个部分：首先介绍卫星的轨道，同步卫星的特点，让他们对卫星有个准确的认识；接着通过人类飞天梦想的实践过程和牛顿的设想引导学生讨论发射卫星的条件，并引导学生推导第一宇宙速度及卫星的运动规律；最后展示世界和我国的的航天发展史，激发同学们的热爱科学，热爱祖国的情感，增强民族自信心和自豪感。

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