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21世紀教育網精品教學課件
武陟一中 張國慶
第六章 萬有引力與航天
神舟十號在酒泉衛星發射中心，于2013年6月11日17時38分02.666秒，由長征二號F改進型運載火箭（遙十）“神箭”成功發射。在軌飛行十五天左右，加上發射與返回， 6月13日與天宮一號進行對接，其中停留天宮一號十二天，共搭載三位航天員——聶海勝、張曉光、王亞平。昨天，我們還觀摩了三位宇航員精彩的太空授課。
2、石頭拋出后會落地，為什么衛星、月亮沒有落下來？石頭拋出后不落下來必須具備什么條件？
1、平時拋出石頭時，拋出的速度v越大，落地點越遠。如果平拋的初速度不斷增大，將會出現什么結果？
思考：
物體“發射速度”很大時，就不會落回地面.
牛頓的思考與設想
牛頓設想的人造衛星原理圖
牛 頓
人造地球衛星繞地球做勻速圓周運動，它需要的向心力是由誰提供的？設地球和衛星的質量分別為M和m，衛星到地心的距離為r,衛星運動的速度為v，請你用學過的知識推導出衛星在軌道上運動速度v的表達式。若M地=5.98×1024 kg,r＝R地=6.40×106m，并計算出運動速度的大小。
【探究問題一】以多大的速度拋出這個物體，它才會繞地球表面運動，不會落下來？
思路一：由于衛星運動所需的向心力是由萬有引力提供的，所以
對于靠近地面的衛星，可以認為此時的r近似等于地球半徑R，把r用地球半徑R代入，可以求出：
意義：要使所有人造地球衛星發射到地球上空不掉下來,發射的速度不能低于這個速度,不然會由于地球的引力大于所需的向心力而使物體掉下來。
這個速度是所有人造地球衛星的最小發射速度，又是近地衛星的環繞速度！
(若已知地表重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km)
思路二：重力提供物體作圓周運動的向心力
一、宇宙速度
(1)如果衛星的速度小于第一宇宙速度，衛星將落到地面而不能繞地球運轉；
(2)如果衛星的速度等于第一宇宙速度，衛星剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；
(3)如果衛星的速度大于7.9km/s，而小于某個值，衛星將沿橢圓軌道繞地球運行，地心就成為橢圓軌道的一個焦點．
它是人造衛星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具備的速度．
說 明：
1. 第一宇宙速度
v1=7.9 km/s
【探究問題二】
若發射的速度大于v=7.9km/s會出現什么情況呢
意義：以這個速度發射，物體剛好能克服地球的引力作用，永遠的離開地球而繞太陽運動
注意：發射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛星繞地球運動的軌跡不是圓，而是橢圓；等于或大于11.2km/s時，衛星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行，成為人造行星。
2. 第二宇宙速度
v2=11.2 km/s
意義：以這個速度發射，物體剛好能擺脫太陽引力的束縛而飛到太陽系以外。
注意：發射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛星繞太陽作橢圓運動，成為一顆人造行星。
如果發射速度大于等于16.7km/s，衛星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。
v3=16.7km/s
3. 第三宇宙速度
二、人造衛星的發射速度和運行速度
發射速度與運行速度是兩個不同的概念．
(1)發射速度：指被發射物在地面附近離開發射裝置時的初速度，并且一旦發射后就再無能量補充，被發射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道．
(2)運行速度：是指衛星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度．當衛星“貼著”地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度.
①宇宙速度均指發射速度
②第一宇宙速度是在地面發射衛星的最小速度
問題:衛星環繞速度、周期Ｔ、角速度ω與軌道半徑ｒ（ｒ＝Ｒ＋ｈ）間是何關系？
1、線速率：
2、角速度：
3、周期：
結論：ｒ越大，Ｖ越小、 ω越小、Ｔ越大
【探究問題三】
問題:如圖衛星ａ與ｂ哪個的環繞速度大？發射它們時哪個的發射速度大？哪個周期大？
衛星a的發射速度比b的大
結論：衛星a的環繞速度比b的小
衛星a的環繞周期比b的大
【探究問題四】
能否發射一顆周期為80min的人造地球衛星？
人造衛星在地球表面附近做圓周運動的周期
=84.6min
最小周期
或：
=84
2
. 6min
R
T
v
π
=
【探究問題五】
【探究問題六】
(1)如圖所示，a、b、c三軌道中可以作為衛星軌道的是哪一條？
提示：衛星作圓周運動的向心力必須指向地心
(2)這三條軌道中哪一條軌道中的衛星可能和地球自轉同步？
a
b
c
同步衛星
已知地球的半徑是6400km，地球自轉的周期24h，地球質量5.89×1024kg, 引力常量G=6.67×10-11Nm2/kg2, 若要發射一顆地球同步衛星，試求： (1)地球同步衛星的離地面高度h. (2)地球同步衛星的環繞速度v.
結論： 地球同步衛星必須發射在赤道正上方的固定高度，并且以固定的速度環繞地球做圓周運動。
（1）在赤道平面內
（2）周期一定T=24h
（3）高度一定360km
【探究問題七】
(3)發射速度和衛星繞地旋轉的速度是不是同一速度？發射速度大說明什么？衛星運轉速度大又說明什么？
(1)將衛星送入低軌道和送入高軌道哪一個更容易？為什么？
(2)所需要的發射速度，哪一個更大？為什么？
學生思考：
1957年10月，原蘇聯發射第一顆人造地球衛星
衛星重83.6kg，每96min繞地球飛行一圈
夢想成真
幾年之后，1961年4月12日蘇聯空軍少校加加林進入了東方一號載人飛船。實現了人類第一次進入太空。他的非凡勇氣，鼓舞了更多人為航天事業奮斗。
火箭點火起飛，飛船繞地球飛行一圈，歷時108分，然后重返大氣層，安全降落在地面，鑄就了人類進入太空的豐碑。
夢想成真
1969年7月20日，阿波羅11號將人類送上了月球。當時，上億人通過電視注視著走出登月艙的阿姆斯特朗，他在月球上邁出了一小步，確是人類邁出的一大步。
夢想成真
航天飛機資料：可重復使用的用運載火箭發射的飛行器，用于進入地球軌道，在地球與軌道航天器之間運送人員和物資，并滑翔降落于地面。
1984年4月12日，第一架航天飛機哥倫比亞號發射成功。
夢想成真
2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機在重返地面的過程中突然發生解體燃燒，航天飛機上的七名宇航員，包括六名美國人及一名以色列人全部遇難。
無數探索者用自己的汗水和生命鋪設了人類通往宇宙的道路
夢想成真
1975年，返回式遙感衛星，中國第一顆返回式衛星，用于對地觀測，運行三天后按計劃返回地面；中國是第三個掌握衛星回收技術的國家。
1970年， “東方紅”1號，中國第一顆人造衛星。中國是第五個能自行發射衛星的國家。
中國航天
夢想成真
飛船繞地球飛行14圈后，于10月16日6時23分安全降落在內蒙古主著陸場．這次成功發射實現了中華民族千年的飛天夢想，標志著中國成為世界上第三個能夠獨立開展載人航天活動的國家，為進一步的空間科學研究奠定了堅實的基礎．
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星發射中心成功發射，把中國第一位航天員楊利偉送人太空．
夢想成真
2005年10月12日，神舟六號將費俊龍，聶海勝成功的送入太空，是中國第一艘執行“多人多天”任務的載人飛船，也是世界上人類的第243次太空飛行。
神舟七號載人飛船于2008年9月25日21點10分04秒從中國酒泉衛星發射中心載人航天發射場用長征二號F火箭發射升空，搭載宇航員有翟志剛、劉伯明、景海鵬，首次出艙活動。
神舟八號與天宮一號于2011年11月3日凌晨1時30分時在我國甘肅、陜西上空進行對接。
北京時間2012年6月16日18時37分24秒，載有景海鵬、劉旺、劉洋的神舟九號在甘肅省酒泉衛星發射中心發射升空，分別于6月18日與6月24日與天宮一號進行交會對接，宇航員進入天宮一號生活了10余天，之后飛船于6月29日10時03分在內蒙古順利著陸。
神舟十號是中國神舟號系列飛船之一，主要由推進艙（服務艙）、返回艙、軌道艙組成。神舟十號在酒泉衛星發射中心“921工位”，于2013年6月11日17時38分02.666秒，由長征二號F改進型運載火箭（遙十）“神箭”成功發射。在軌飛行十五天左右，加上發射與返回，其中停留天宮一號十二天，共搭載三位航天員——聶海勝、張曉光、王亞平。6月13日與天宮一號進行對接
盡管人類已經跨入太空，登上月球，但是，相對于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……
宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結？地外文明在哪里？ ……
愛因斯坦曾經說過：“一個人最完美和最強烈的情感來自面對不解之謎”。
你想加入破解它的行列嗎？
夢想成真
航天與人類生活
1、宇宙速度
　　7.9km/s 　　 11.2km/s 　　　 16.7km/s
第一宇宙速度是衛星發射的最小速度，是在軌道上運行的最大速度
2、人造地球衛星
3 、夢想成真
（1）世界的成就
（2）中國的成就
４、航天與人類生活
小　結登陸21世紀教育 助您教考全無憂
“觀摩課”作品信息表
河南 省 焦作 市（省轄市） 武陟 （縣、區） 項目： 觀摩課
作品名稱 宇宙航行
學科 物理 教材版本 人教版
學段 □小學組□初中組□高中組 知識點 宇宙航行
年級 高一 冊別 □上冊□下冊
作品內容 本節課主要學習衛星的基本原理及航天科技的相關知識，內容有以下幾點：1．第一宇宙速度及其推導，第二宇宙速度、第三宇宙速度，了解三個宇宙速度的意義，以及發射速度與運行速度的區別。2．人造衛星環繞速度、周期、角速度與軌道半徑之間的關系。3.世界航天技術及中國航天技術的發展史。4.航天技術在生活中的應用
著作人 主講人姓名 張國慶 在省資源網用戶名
教學指導老師 王海軍 錄制人員
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《宇宙航行》教學設計
授課人：張國慶
一、教材分析：《宇宙航行》為高中物理人教版必修2第七章的第五節，重點講述了人造衛星的發射原理，推導了第一宇宙速度，并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛星是萬有引力定律在天文學上應用的一個重要實例，是人類征服自然的見證，體現了知識的力量，是學生學習了解現代科學知識的一個極好素材。教材不但介紹了人造衛星中的一些基本理論，更在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。學生通過行星的運動一節已經知道了行星的運動規律，因此在分析人造衛星的運動學特點和動力學特點可采取類比的方法，從而進一步理解應用萬有引力定律分析天體運動的方法。因此，本節課是“萬有引力定律與航天”中的重點內容，是學生進一步學習、研究、探索天體物理問題的理論基礎。另外，學生通過對人類在宇宙航行領域中的偉大成就及我國在航天領域成就的了解，也將潛移默化地產生對航天科學的熱愛，增強學生的民族自信心和自豪感。
二、教學目標　1、知識與技能（1）知道三個宇宙速度的含義及數值，會推導第一宇宙速度。（2）理解衛星的運行速度、周期與半徑的關系，了解同步衛星的特點。建立起關于各種衛星運行狀況的正確圖景。2、過程與方法2、過程與方法：在學習牛頓對衛星發射猜想的同時，培養學生科學探索能力，培養學生處理實際問題時，如何構建物理模型的能力。3、情感態度與價值觀（1）、通過展示人類航天科技的偉大成就，激發學生學習物理知識的熱情；（2）、通過介紹我國在航天事業方面的成就，激發學生的愛國熱情，增強民族自信心和自豪感。
三、教學重點（1）第一宇宙速度的推導，了解第二、第三宇宙速度。
四、教學難點衛星運行速率、角速度、周期和軌道半徑的關系。
五、教學方法：“問題-探究”教學，啟發式教學，多媒體輔助教學。
六、教學思路以學生為主體，促進學生知識、能力、品德三維一體的全面發展，這是本教案設計的基本理念。學生已學過平拋運動、勻速圓周運動、萬有引力定律等基本理論，具備了解決問題的基本工具。因此教案設計上采用“問題-探究”法，在設計中突出發揮學生的主體作用，課堂中通過設疑→思考→啟發→引導這樣一條主線，激發鼓勵學生的大膽思考、積極參與，讓學生通過自己的分析研究來掌握獲取相關的知識和方法。
教學過程：引入新課教師：仰望星空，浩瀚的宇宙蒼穹給人以無限遐想，千百年來，人類一直向往能插上翅膀飛出地球，去探索宇宙的奧秘。隨著科技的發展，這一飛天夢想終于變成現實，我國航天員也在飛船艙外的茫茫太空留下了中國人的足跡。播放神舟十號點火發射視頻圖片：播放王亞平太空授課圖片（學生已經觀看過其視頻）：本節課，我們就來學習人類如何走出地球，飛上宇宙，進行宇宙航行的。新課教學 1、引導學生猜想、提出“牛頓的設想”。教師：我們知道，地球對周圍的一切物體都有引力的作用，因此我們拋出的物體會落回地面，在地面拋出一個物體，拋出的速度越大，落地點與拋出點的水平距離越大。 地球可近似看成個球體，如果拋出的速度很大，地面還能看成是水平面嗎？學生：不能？應是球面。教師：如果不斷增大拋出的速度，可能出現什么現象？牛頓說過“沒有大膽的猜測就沒有偉大的發現”。在已有事實的基礎上，合理外推，科學假設，是認知未知事物的的一種科學方法。那么由以上事實基礎，你能作出怎樣的猜想呢？學生：思考并回答。教師：同學們今天的想法居然與牛頓當年的想法是一樣的，這是牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中的衛星發射原理。播放牛頓關于衛星發射原理設想的flash：陳述牛頓的設想：從地球上最高的山峰上將物體水平拋出，速度越大，落地點就越遠。如果沒有空氣阻力，拋出的速度足夠大時，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為一顆人造地球衛星。 將學生猜想與牛頓的設想作對比，作出肯定，讓學生體驗思考的過程帶來的快樂。2、三種宇宙速度教師：從牛頓提出大膽的設想到第一顆人造衛星成功發射，經歷了近三百年，為什么呢？因為發射衛星的速度太大了，當時人類的科技水平還不能制造這么高速的物體。那么，最少以多大的速度將物體拋出，它才會繞地球運動不會落下來？ （提示：將衛星繞地球運動近似看成勻速圓周運動）學生自主推導：設地球和人造衛星的質量分別為M和m，衛星到地心的距離為R，衛星的運行速度為V。萬有引力提供向心力，則：代入數據得V=7.9km/s教師：這就是人造衛星在地面附近繞地球做勻速圓周運動必須具有的速度，叫第一宇宙速度。它也是發射一個物體，使其成為地球衛星的最小發射速度。若以第一宇宙發射一個物體，它將在貼著地球表面的軌道做勻速圓周運動。那么，如何使物體的速度達到7.9㎞／ｓ呢？利用三級火箭為運載工具使衛星飛出地球是目前普遍采用的、有效的方法，但這種方法已經用了幾十年了、危險性大、代價高，有沒有更好的方法呢？希望大家今天努力學習，撐握好科學知識，將來發明更安全，更高性能的發射系統，為人類作出更大的貢獻。教師提出問題：如果衛星的發射速度比7.9km/s大一點，衛星會怎樣運動？學生思考并回答：如果衛星的發射速度比7.9km/s大一點，地球的引力將不足以為其提供做圓周運動的向心力，開始做離心運動。教師補充：同學們回答得不錯！如果衛星的發射速度比7.9km/s大一點，地球的引力將不足以為其提供做圓周運動的向心力，先做離心運動，最終繞地球運動的軌跡是橢圓而不是圓，至于軌道為什么是橢圓，將來可結合數學知識證明（介紹近地點、遠地點），且衛星做變速率運動，發射速度越大，橢圓越扁。提出問題：如果物體的發射速度繼續增大，將會怎樣？學生思考交流教師：如果物體的發射速度再大，橢圓更扁，遠地點離地球太遠，以至地球對物體的引力太小，物體將擺脫地球引力的束縛，離開地球。若物體的發射速度達到或超過11.2km/s時，物體將擺脫地球引力的束縛，離開地球。我們把11.2km/s這個速度稱為第二宇宙速度。物體脫離地球引力束縛后，還會受到太陽引力的束縛。如果發射物體的速度更大，達到或超過16.7km/s時，物體還將脫離太陽引力的束縛，飛向太陽系之外宇宙空間，我們把16.7km/s這個速度稱為第三宇宙速度。3、衛星運行規律教師：剛才我們討論了三個宇宙速度，知道如何把衛星送上天了。現在天空中已有許多不同用途的人造衛星，實際上這些衛星并不是貼著地球表面運行的，而是用火箭把衛星送到一定高度的軌道后再繞地球運行的。提出問題：將衛星送入低軌道和高軌道所需的速度哪一個更大？哪一個更容易？為什么？衛星在不同軌道繞地球運動的速度又怎樣算？它與衛星的發射速度是同一個速度嗎？為簡化問題，我們將不同軌道上運行的衛星看成勻速度圓周運動，請同學們用已學的知識探究衛星繞地球運行的速度、周期和軌道半徑的關系。學生探究：可得：學生總結，教師適當補充：(1)發射速度是指衛星在地面附近離開發射裝置的初速度，一旦發射后再無能量補充，被發射物體僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運行軌道。運行速度是指衛星在進入軌道后繞地球運行的線速度。(2)向高軌道發射衛星需要的速度大，將衛星送入軌道越不容易，因向高軌道發射衛星，要克服地球對它的引力做功更多。(3)衛星運動的速度、角速度、周期都與衛星質量無關，僅由軌道半徑決定。當衛星環繞地球表面運行時，軌道半徑最小，運行速度最大，此時發射速度與運行速度相等。故第一宇宙速度既是衛星最小的發射速度也是最大運行速度。4、課堂練習地球同步衛星是人為發射的一種衛星，它相對于地球靜止于赤道上空。從地球之外看，衛星與地球共同轉動，角速度與地球自轉角速度相同，故稱地球同步衛星，設地球表面的重力加速度為g，地球半徑為R，請大家根據所學知識估算它的軌道高度。5、夢想成真學生閱讀并匯報通過網絡查閱的人類航天發展史中的主要標志性事件：(1)1957年10月4日晚：蘇聯成功發射第一顆人造地球衛星(2)1961年4月12日：蘇聯27歲的宇航員尤里·加加林 乘坐“東方”號宇宙飛船環繞地球一周，成為飛出地球大氣層進入外層空間的第一人(3)1969年7月20日：美國“阿波羅”11號上的宇航員奧爾德林、阿姆斯特朗登上月球，人類第一次將足跡留在地球以外的星球上。(4)2003年10月15日9時整，我國自行研制的“神舟”五號載人飛船在中國酒泉衛星發射中心發射升空。這是中國首次進行載人航天飛行。乘坐“神舟”五號載人飛船執行任務的航天員是38歲的楊利偉。(5)2007年10月24日，我國首顆探月衛星“嫦娥一號”在西昌衛星發射中心發射成功。教師介紹我國的探月計劃：(1)2004年－2007年 為“繞”的階段，主要目標是發射“嫦娥一號”探測衛星，對月球進行為期1年的全球性、整體性和綜合性探測。這一計劃已經成功實現。
(2)2007年－2012年 為“落”的階段，主要目標是實現月球表面軟著陸與月球巡視探測。
(3)2012年－2017年 為“回”的階段，主要目標是實現月球表面軟著陸并采樣返回。
只有完成了這三個階段后，中國才有可能考慮和實施載人登月。隨著科學技術的發展，我們的夢想逐漸成真，我們探測太空的腳步會越走越快，越走越遠。也許有一天我們也能到其它星球旅游定居。這些夢想的實現有賴以我們今天的努力學習。7、課堂小結本節課我們學習了如何用萬有引力定律來研究衛星的運動問題，深化了對萬有引力是向心力這一研究天體運動的基本方法的掌握，了解了衛星發射與運行的情況，知道三種宇宙速度的含義。8、布置作業(1)P44問題與練習：1、3(2)閱讀教科書上P42的科學漫步“黑洞”及P43中STS“航天事業改變著人類生活”。(3)上網查閱：人造衛星的種類及同步衛星的含義和特點9、板書設計 宇宙航行一、牛頓的設想二、宇宙速度第一宇宙速度：V1=7.9km/s（1、近地衛星的環繞速度；2、衛星的最小發射速度；3、衛星的最大運行速度）第二宇宙速度： V2=11.2km/s，衛星掙脫地球引力束縛所需的發射速度第三宇宙速度： V3=16.7km/s，衛星掙脫太陽引力束縛所需的發射速度三、衛星的運行規律四、夢想成真：了解了人類的航天發展史。
教學反思:本節課能始終以學生為主體精心設計學習活動，充分利用好網絡資源創設教學情境，調動學生的學習興趣，及時把握時機，提問、啟發、誘導、點撥，激發鼓勵學生積極參與，大膽猜想，合作交流，探索研究，經歷體驗了牛頓研究人造衛星發射原理相似的“再發現”過程，引導學生自主推導了第一宇宙速度，并了解三種宇宙速度的含義。關于衛星的運動規律也大膽交給學生探討，在教師的層層設問中，學生自己分析體會人造衛星的運行特點。整節課學生都處于問題情境當中，在協作、會話交流過程中逐個解決需要學習的問題，最終圓滿完成教學任務，學生在輕松愉快的氛圍中結束課程。但由于教學時間的限制及教學定位的問題，本節課沒有就變軌問題進行探討，有待在后繼課程中解決。
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