資源簡介

7.4宇宙航行的教案
【教學目標】
一、教學目標
1．通過閱讀課本資料了解牛頓對人造衛星的猜想、外推的思路和思想，能寫出第一宇宙速度的推導過程。
2．通過第一宇宙速度的推導總結，能說出人造地球衛星的原理及運行規律。
3．通過閱讀教材第三部分，能夠介紹世界和我國航天事業的發展歷史，感知人類探索宇宙的夢想，激發愛國熱情，增強民族自信心和自豪感。
二、核心素養
物理觀念：能從物理學的視角正確描述和解釋人造地球衛星的運行規律，具備清晰的物理觀念。
科學思維：能在熟悉的情境中運用物理模型，能對衛星發射原理進行分析和推理。
科學探究：能在對衛星發射原理的基礎上做出假設，并制定合理的探究路線，從而分析數據發現規律。
科學態度與責任：衛星的發射原理是人類在萬有引力定律基礎上科學家們持續不斷創造性發展的成果，是人類對宇宙奧秘探索的歷程，增強民族自信心和自豪感。
【教學重難點】
教學重點：1. 對于宇宙速度的理解和應用；
2. 了解人造地球衛星和同步衛星。
教學難點：1.第一宇宙速度的計算和衛星運行的規律；
2. 同步衛星的規律、衛星變軌與對接以及雙星模型
【新課導入】
通過前面的學習我們知道了，人類通過站在地球上的觀測，認識到了天體做什么樣的運動，并進一步弄清了天體為什么要做這樣的運動。然而人類并不滿足于只站在地球上探索宇宙的奧秘。本節課，我們就來學習人類是如何走出地球，飛向宇宙，進行宇宙航行的。（利用幻燈片，向學生展示一些航天類的圖片，以激發學生的學習興趣。）
【新課講解】
宇宙速度
（1）第一宇宙速度
問題：牛頓實驗中，炮彈至少要以多大的速度發射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運動？地球半徑為6370km。
分析：在地面附近繞地球運行，軌道半徑即為地球半徑。由萬有引力提供向心力：， 得：
結論：如果發射速度小于7.9km/s，炮彈將落到地面，而不能成為一顆衛星；發射速度等于7.9km/s，它將在地面附近作勻速圓周運動；要發射一顆半徑大于地球半徑的人造衛星，發射速度必須大于7.9km/s。可見，向高軌道發射衛星比向低軌道發射衛星要困難。
⑵意義：第一宇宙速度是人造衛星在地面附近環繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度，所以也稱為環繞速度。
師生共同討論：
在地面附近，物體的萬有引力等于重力，此力天空衛星做圓周運動的向心力，能否從這一角度來推導第一宇宙速度呢？
mg= mv2/r v= ≈7.9km/s
提出問題：我們能否發射一顆周期為70min的人造地球衛星呢？（提示：算一算近地衛星其周期是多少？近地衛星由于半徑最小，其運行周期最小。）
（2）第二宇宙速度：大小。
意義：使衛星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發射速度，也稱為脫離速度。
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為橢圓；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。
（3）第三宇宙速度：大小。
意義：使衛星掙脫太陽引力束縛的最小發射速度，也稱為逃逸速度。
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。
人造地球衛星
牛頓雖然早就預言了人造地球衛星，但因發射需達到很大的速度，所以直到多級火箭的研制成功，才為人造地球衛星的發射創造了條件。
出示圖片：第一顆人造地球衛星
1957年10月，蘇聯發射
第一顆人造地球衛星。開創了人類航天時代的新紀元。
1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛星“東方紅1號”
發射成功，開創了中國航天史的新紀元。
出示圖片：東方紅1號人造地球衛星
出示圖片：科學家錢學森
科學家錢學森被譽為“中國航天之父”為我國航天事業作出特殊貢獻。
出示圖片：地球上衛星
目前在軌有效運行的衛星有上千顆，其中的通信、導航、氣象等衛星已極大地改變了人類的生活。
1、地球同步衛星
地球同步衛星位于赤道上方高度約36000km處，因相對地面靜止，也稱靜止衛星。
2、特點
周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相對于地面靜止。
軌道一定：同步衛星軌道必須在赤道上空；高度一定：高度約36000km；速率一定；加速度一定。
注意：月球不是地球的同步衛星。
例題：關于地球同步通訊衛星，下列說法正確的是（ ）
A．若其質量加倍，則軌道半徑也要加倍；
B．它以第一宇宙速度運行；
C．它以第二宇宙速度運行；
D．它繞地球運行時的角速度與地球自轉角速度相同。
解：A、地球同步衛星距離地球的高度約為36000km，半徑一樣，所以各國發射的這種衛星軌道半徑都一樣，與質量無關，故A錯誤；
BC、地球同步衛星在軌道上的繞行速度約為3.1千米/秒，小于7.9km/s，即小于第一宇宙速度與第二宇宙速度，故BC錯誤；
D、同步衛星是指與地球相對靜止的衛星。這種衛星繞地球轉動的角速度與地球自轉的角度速度相同，故D正確。
故選：D．
載人航天與太空探索
【教師引導】2003年10月15日9時，我國神舟五號宇宙飛船把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后安全降落。這標志著中國成為世界上能夠獨立開展載人航天活動的國家。在載人航天方面，繼神舟五號之后，截至2017年底，我國已經將11名(14人次)航天員送人太空，包括兩名女航天員。
除了載人航天工程，我國還在許多方面進行著太空探索。2013年6月，神舟十號分別完成與天宮一號空間站的手動和自動交會對接；2016年10月19日，神舟十一號完成與天宮二號空間站的自動交會對接。2017年4月20日，我國又發射了貨運飛船天舟一號，入軌后與天宮二號空間站進行自動交會對接、自主決速交會對接等3次交會對接及多項實驗。
【板書】
7.4 宇宙航行
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、同步衛星
定點在赤道上空，周期T、高度h、線速度v一定。
4、夢想成真
（1）世界的成就
（2）中國的成就

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