教學基本信息
課題
宇宙航行
學科
物理
學段： 高一第三學段
年級
高一
教材
書名： 普通高中教科書《物理》必修第二冊
出版社：人民教育出版社 出版日期： 2019年 7 月
教學目標及教學重點、難點
【教學目標】
1.了解人造地球衛(wèi)星的最初設(shè)想，會推導第一宇宙速度
2.知道同步衛(wèi)星和其他衛(wèi)星的區(qū)別，會分析人造地球衛(wèi)星的受力和運動情況并解決涉及人造地球衛(wèi)星運動的較簡單的問題
3.了解發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別和聯(lián)系，理解天體運動中的能量觀
4.了解宇宙航行的歷程和進展，感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感
【難點】衛(wèi)星運行速率與軌道半徑之間的關(guān)系
【重點】第一宇宙速度的推導；衛(wèi)星運行速率與軌道半徑之間的關(guān)系
教學過程(表格描述)
教學環(huán)節(jié)
主要教學活動
設(shè)置意圖
環(huán)節(jié)一：
牛頓的設(shè)想
一、牛頓的設(shè)想
把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠；拋出速度足夠大時，物體就不會落回地面，成為人造地球衛(wèi)星
二、根據(jù)牛頓的設(shè)想判斷不同拋出速度物體運動情況
1、軌跡a對應(yīng)的拋出速度最小，軌跡c對應(yīng)的拋出速度最大。在引力的作用下，c剛好成為了一顆在地球表面附近做勻速圓周運動的人造衛(wèi)星。按照牛頓所說，此時萬有引力提供向心力。
2、通過開普勒定律的學習我們知道，如果拋出速度繼續(xù)增大，物體將繞地球運動的軌跡是一個橢圓，速度越大，對應(yīng)橢圓的長軸也越長。但橢圓的長軸不會無限的變長，
3、牛頓也提到了當拋出速度達到一定的速度，物體就不會回到地球，而永遠離我們而去?？磥沓蔀榈厍虻囊活w衛(wèi)星，發(fā)射時的速度也要控制在一定的范圍內(nèi)。我們就把這個極限叫做宇宙速度。
引入新課，使學生了解牛頓從動力學角度對宇宙航行的設(shè)想
環(huán)節(jié)二：
宇宙速度
1、第一宇宙速度
當物體的發(fā)射速度達到某一值，物體在地球表面附近做勻速圓周運動，此時的發(fā)射速度我們叫做第一宇宙速度。這個速度為7.9千米每秒。當發(fā)射速度超過這一速度時，物體都會成為繞地球做橢圓軌道運動的衛(wèi)星，而且發(fā)射速度越大對應(yīng)橢圓的長軸就越長。
2、第二宇宙速度
當?shù)孛娓浇奈矬w發(fā)射速度等于或大于11.2千米每秒時，物體就會克服地球的引力束縛，永遠離開地球，我們把這一發(fā)射速度稱為第二宇宙速度。因此我們?nèi)粝氚l(fā)射一個進入太陽系進行科學研究的飛行器，發(fā)射速度要等于或大于第二宇宙速度。
3、第三宇宙速度
如果在地球附近發(fā)射飛行器的速度等于或大于16.7千米每秒，飛行器不僅脫離地球的引力束縛，甚至可以脫離太陽的引力束縛，成為進入銀河系的飛行器。當我們了解更多關(guān)于飛行器運動的規(guī)律，我們就可以按照我們的需求將衛(wèi)星發(fā)射到預(yù)定的軌道。
承上啟下，使學生清楚，要成為一顆地球的衛(wèi)星，發(fā)射速度在一定限度內(nèi)。同時了解宇宙速度。
環(huán)節(jié)三：
人造衛(wèi)星
一、利用變軌的方式將衛(wèi)星發(fā)射到預(yù)定軌道
利用前面學習的內(nèi)容，討論如何將衛(wèi)星發(fā)射到預(yù)定軌道。首先將衛(wèi)星發(fā)射常先將衛(wèi)星送到近地軌道，利用制衛(wèi)星自身動力，在太空中無大氣阻力的環(huán)境下通過加速變軌最終到達目標軌道。比如我們在地球上要將衛(wèi)星發(fā)射到3軌道，讓衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動。首先，我們利用火箭將發(fā)射到近地軌道1，然后在1軌道上M點，利用衛(wèi)星動力系統(tǒng)沿衛(wèi)星運動方向使衛(wèi)星加速，從而使衛(wèi)星進入橢圓軌道2，從而代替了從M點直接將衛(wèi)星發(fā)射到橢圓軌道2。當衛(wèi)星運動到N點時，2軌道與3軌道相切，此時再次利用衛(wèi)星自身動力，使衛(wèi)星再次加速進入3軌道，從而完成了衛(wèi)星的發(fā)射。
二、衛(wèi)星運動的快慢
1、描述衛(wèi)星的運動
可以設(shè)衛(wèi)星的質(zhì)量為m，我們可以利用萬有引力定律和向心力的公式計算出衛(wèi)星繞地球運動的線速度大小。再利用勻速圓周運動線速度、角速度、周期之間的關(guān)系，我們還可以得到衛(wèi)星運行的角速度，周期為，通過對這些物理量的計算，根據(jù)我們的需要，就可以計算所要發(fā)射的衛(wèi)星的運行軌道高度，計算出預(yù)定軌道。在同一軌道上運行的不同衛(wèi)星，他們的線速度，角速度，周期都是相等的。
2、比較衛(wèi)星運動的快慢
若存在兩顆人造衛(wèi)星，沿同一方向繞地球在各自的圓軌道上做勻速圓周運動。試比較兩顆衛(wèi)星的線速度、角速度、周期大小的關(guān)系。由衛(wèi)星線速度的表達式我們能夠看出，由于1軌道的半徑小于2軌道，所以1軌道上衛(wèi)星的線速度大于2軌道上衛(wèi)星的線速度。同理通過角速度的表達式我們也可以判斷，軌道半徑小的衛(wèi)星角速度大，因此軌道1上的衛(wèi)星的角速度大于衛(wèi)星2上衛(wèi)星的角速度。再根據(jù)角速度與周期的關(guān)系，我們可以判斷軌道1上的衛(wèi)星運行周期小于軌道2上衛(wèi)星的運行周期。又因為軌道1與2是任意的，所以我們可以看出，地球周圍繞地球沿圓軌道運動的衛(wèi)星，半徑越小，線速度和角速度越大，周期越小。
最后，從開普勒第三定律的角度再次分析這個問題，使前后知識相互呼應(yīng)。
三、常見的衛(wèi)星
1、極軌衛(wèi)星
幾顆軌道平面與赤道面垂直、周期性通過兩極的極軌衛(wèi)星，就能形成全球氣象觀測系統(tǒng)，做更加準確的預(yù)報。如圖所示，軌道平面沿豎直方向的就是極軌衛(wèi)星的軌道。
2、地球同步衛(wèi)星
同步衛(wèi)星，其軌道平面與赤道平面重合，衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，衛(wèi)星運行周期與地球自轉(zhuǎn)一周的時間相等，因此衛(wèi)星與地球以相同的角速度旋轉(zhuǎn)，相對赤道上的固定點是靜止的，又稱對地靜止衛(wèi)星。
對于同步衛(wèi)星來說，它們的周期都為24小時，在同一確定軌道上沿地球繞行方向運動
同步衛(wèi)星的軌道高度約為36000千米
3、近地衛(wèi)星
近地衛(wèi)星的速度為7.9千米每秒，這也正是第一宇宙速度，也是所有繞地球做圓周運動衛(wèi)星的最大速度。帶入周期表達式，得到近地衛(wèi)星的環(huán)繞周期為85分鐘，這也是所有繞地球做圓周運動衛(wèi)星的最小運行周期。
環(huán)節(jié)四：我國航天事業(yè)的成就
1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅1號”發(fā)射成功，開創(chuàng)了中國航天事業(yè)的新紀元。近些年來，我國航天事業(yè)發(fā)展迅猛，從神州五號飛船到神州十一號飛船，我國成功將11名宇航員（14人次）送上太空。2017年4月22日，天舟一號和天宮二號順利完成首次自動交會對接，正式宣告中國航天進入“空間站時代”。2018年12月8日嫦娥四號衛(wèi)星發(fā)射成功，是嫦娥繞月探月工程計劃中第四顆人造繞月、探月衛(wèi)星，并于2019年1月3日實現(xiàn)了人類首次月球背面著陸。今年5月，我國北斗系統(tǒng)的第五十五顆衛(wèi)星將進入地球靜止軌道，標志著北斗三號全球星座的部署全面完成。希望同學們能夠努力學習、刻苦鉆研，將來為我國航天事業(yè)貢獻自己的力量
環(huán)節(jié)五：本節(jié)小結(jié)及拓展性問題提出
一、小結(jié)
本節(jié)課從牛頓的設(shè)想出發(fā)，認識到物體成為一顆繞地球運動的衛(wèi)星，需要要獲得足夠大的發(fā)射速度，這個發(fā)射速度的最小值就是第一宇宙速度。之后我們又一起學習了三個宇宙速度，并了解了不同發(fā)射速度下飛行器不同的運動狀態(tài)。之后介紹了人造衛(wèi)星的發(fā)射并對不同軌道人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期進行了比較。最后介紹了三種典型的人造衛(wèi)星，極軌衛(wèi)星，同步衛(wèi)星，近地衛(wèi)星。
二、拓展性問題提出
1、地球的自轉(zhuǎn)對衛(wèi)星的發(fā)射有什么影響？2、在地面附近以更大的速度水平拋出物體，物體的運動還能看作拋體運動么？3、嫦娥一號進入月球軌道后，應(yīng)該如何操作才能順利降落在月球？4、地球同步衛(wèi)星軌道平面是否能與除赤道之外的某條緯線重合？

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4 宇宙航行

版本： 人教版 (2019)

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