资源简介

7.4
宇宙航行
教学
目标
物理观念
（1）掌握第一宇宙速度的计算，理解第一宇宙速度是最小发射速度，最大环绕速度；
（2）知道第二宇宙速度与第三宇宙速度的大小；
（3）掌握人造卫星的轨道特点和运动规律；
（4）掌握近地卫星运动规律和同步卫星的“三定”。
科学思维
（1）能将一些熟悉天体的运动抽象成匀速圆周运动模型；
（2）能分析一些简单的天体运动问题通过推理获得结论。
科学探究
（1）能根据已有知识判断卫星的轨道特点；
（2）能根据已有知识得出卫星的运动规律。
科学态度与责任
（1）了解世界航天大事记，有探索太空了解太空的兴趣；
（2）了解中国航天事业的进展，体会中国航天精神；
（3）能为牛顿力学对航天技术发展的重大贡献而振奋。
教学重点
第一宇宙速度的得出和掌握
人造卫星的运动规律
教学难点
同步卫星的运动规律
教学形式
采用了基于问题的探究式学习
教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
引入新课
播放视频《嫦娥三号发射模拟》
视频展示的是长征三号乙运载火箭搭载嫦娥三号进入太空的过程，其他地球卫星的发射跟视频展示的过程类似；依据国际通行的算法，平均每发射一颗卫星，费用约2.16
亿美元，但是各个国家还是在争相发射卫星；据你们所知卫星给我们的生活带来了哪些影响，有哪些与我们生活相关的用途？
总结卫星所带来的便利：通信卫星、气象卫星、导航卫星
既然卫星在我们生活中有那么多的作用，怎么才能发射一人造地球卫星呢？
观看视频
讨论回答卫星的用途
以《嫦娥三号发射模拟》、引入新课，给学生心理上带来震撼，了解生活中的常用卫星等，多方面引起学生对这节课的学习兴趣。
一、宇宙速度
1．明朝万户首创多级火箭，但是失败了
2．Flash展示牛顿猜想，试求解：当物体发射初速度达到多大时会绕地球做匀速圆周运动，成为一颗人造地球卫星？已知：地球表面重力加速度g=10m/s2，地球半径R=6.4×106
提示：此时物体的轨道半径可近似等于地球的半径，圆周运动的向心力由万有引力提供，地球质量可以用“黄金代换”替换掉。
3．投屏展示学生的计算结果并点评
总结：（1）算出来的结果为8km/s，更精确的结果要比这个值要小一点为7.9km/s；
（2）如果以7.9km/s的速度发射一个物体，它将绕地球做匀速圆周运动，成为地球的一颗卫星，我们将这个速度称为第一宇宙速度；
（3）第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。
4．如果发射的速度的速度比第一宇宙速度大呢？
当速度为第一宇宙速度时，万有引力跟它做圆周运动需要的向心力相等，所以沿着圆轨道运动；而现在速度大于了第一宇宙速度，所以需要的向心力变大了，而提供给它的向心力也就是万有引力不变，需要的向心力大于了提供给它的向心力，所以会做离心运动。
5．但是如果速度不是太大，它逃不出地球的引力范围，它还是会绕着地球转，只不过这时候的轨道是一个椭圆轨道。
6．当发射速度达到11.2km/s时，它就可以冲出地球的引力范围，但是还在太阳系内，会继续绕着太阳转，这个时候它就成了绕太阳运动的一颗行星；我们把11.2km/s就称为第二宇宙速度。
7．当发射速度达到16.7km/s时，它就可以冲出地球的引力范围，它就可以冲出太阳的引力范围，在银河系里遨游；我们把16.7km/s就称为第三宇宙速度。
8．如果要冲出银河系呢？发射速度将要更大
计算并得出第一宇宙速度
思考并回答问题
了解前人对航天的探索
让学生亲自动手去计算，并指出其中的一些问题，提升学生的计算技巧和计算能力。
二、梦想成真
1．到目前为止，世界航天事业已经取得了非常多的成就，请大家阅读教材，了解航天史上的一些伟大事迹。
2．咱们国家的航天事业在这些年也取得了非常丰硕的成果。PPT展示中国的航天史。
3．虽然我们国家的航天事业起步晚，但是我们的加速度大，特别是进入20世纪后，我们国家的航天事业更是飞速一般的发展。
4．截至2018年8月29日，全球在轨飞行的人造卫星有4861颗，在轨运行的人造卫星1890颗，中国有252颗，处在第二位，超过了俄罗斯，仅次于美国。
阅读教材“梦想成真”，了解中国航天事业的各项成就，体会中国航天人的航天精神
了解中国的航天进展，激发同学们的爱国热情
四、人造地球卫星
探究一
1．我们将人造卫星送入了太空，那它在太空中是怎样运动的呢？下面咱们一起来看看。
2．如果将人造卫星的轨道简化为圆轨道，它们绕着地球所做的运动就是匀速圆周运动，而需要的向心力则由万有引力来提供，那请同学们思考并讨论一下，在右图中的四条轨道中，哪条轨道是不可能的轨道？并说明理由。
结论：（1）所有卫星的轨道圆心一定在地心；（2）轨道可分为三类：赤道轨道、极地轨道和倾斜轨道。
探究二
将各种卫星绕地球运动都近似看成匀速圆周运动，由万有引力来提供向心力，你能推出卫星向心加速度、线速度、角速度、周期与轨道半径的关系吗？
结论：（1）人造卫星各物理量的结果；
(2)
同一中心天体：大半径、大周期、小“速度”
两种特殊人造卫星
1．近地卫星
（1）离地高度在100~200km，近似认为
r
=
R
（2）在所有的人造地球卫星中，近地卫星运行速度最大，公转周期最小
2．同步卫星
（1）同步卫星的运行方向是怎样的？
（2）同步卫星的轨道平面应该处在哪个平面？
（3）同步卫星的周期是多少？
（4）请用G、M、T、R表示出同步卫星的半径r以及离地高度h；
（5）请用G、M、r表示出同步卫星的线速度v。
结论：
（1）定绕行方向：与地球自转方向相同（2）定轨道平面：与赤道平面重合
（3）定周期：T=24h=86400s
（4）定高度：h=36000km
=
5.6R
（5）定速度：v=3.1km/s
结合万有引力提供向心力，思考并讨论不可能的轨道是哪条。
根据已有的圆周运动的相关知识，结合“万有引力提供向心力”推导人造卫星的运动规律。
计算得出近地卫星的运行速度和周期
思考相关问题，并计算得出各物理量
让学生自己思考判断可能的轨道，计算得出人造卫星的运动规律，强化学生运动和力的观念
通过两个特殊的人造卫星，让学生对本节课的规律进行一个简单的应用，这里并不涉及两种卫星的比较，降低难度。
五、课后作业
1．完成问题与练习
2．查阅更多与中国航天相关的资料，了解中国未来的航天规划。

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