资源简介

4．宇宙航行
【教材分析】
1．体系结构。
本节为高中物理必修第二册《第三章 万有引力定律》的第4节，是万有引力定律在航空航天领域的应用。
2．地位作用。
本节为该章的重点内容，核心在于将万有引力定律和圆周运动相结合，且重点讲述了发射人造卫星的历程与原理，推导了第一宇宙速度，介绍了第二宇宙速度和第三宇宙速度。
3．知识背景。
经过无数前人的努力，航空航天已不再是人类的梦想，而万有引力定律在其中功不可没。在本节中，将使用万有引力定律揭开航空航天的“神秘面纱”。
【学情分析】
在学习本节之前，学生已经掌握了万有引力定律，具备运用万有引力定律处理天体运动问题的能力。教师可以在此基础上向学生介绍人造卫星的发射原理，然后引导学生自行推导出第一宇宙速度，再让学生经历推导第一宇宙速度的过程，进一步探讨第一宇宙速度的意义，从而向学生扩展第二宇宙速度和第三宇宙速度的概念。
【课标解读】
课标要求。
会计算人造地球卫星的环绕速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。
2．课标解读。
要能够根据所学圆周运动和万有引力定律的相关知识，推算出第一宇宙速度，知道其是最小的发射速度，并在此基础上计算任意人造卫星的环绕速度。能够根据第一宇宙速度的推导过程，做进一步的猜想，了解什么是第二宇宙速度和第三宇宙速度。
【教学目标】
核心素养 素养表现 素养内涵 教学目标
物理观念 运动与相互作用观念 初步形成相互作用观，并能用它对自然图景进行描述 知道人造卫星所需的向心力是由万有引力提供
科学思维 模型建立 根据问题和情境，对客观事物进行抽象和概括，构建物理模型 建立人造卫星绕行星做圆周运动的理想模型
科学推理 具有规律意识，能进行科学推理，形成物理规律 能运用圆周运动相关知识和万有引力定律组合推导出第一宇宙速度的大小
问题解决 根据物理规律，解释自然现象和解决实际问题 能够运用圆周运动相关知识与万有引力定律解决简单的航空航天问题
科学态度 与责任 科学本质 能正确认识科学的本质，认识到物理是人类有意识的探究过程 了解人造卫星从梦想变为现实的历程
科学态度 具有学习和研究物理的好奇心和求知欲，实事求是，善于基于证据和推理发表自己的见解 通过了解今天航空航天事业的发展，领悟前人不断反思总结、实事求是的科学态度
社会责任 理解科学、技术、社会和环境的关系 了解万有引力定律在航空航天上的作用，树立利用所学知识为人类服务的观念。了解我国航空航天事业的飞速发展，激发爱国精神
【教学重点】
1．第一宇宙速度的推导。
突出重点的方法：先对第一宇宙速度的物理意义进行讲解，再引导学生利用圆周运动与万有引力定律的知识进行推导。
2．人造卫星的速率与轨道半径的关系。
突出重点的方法：引导学生从表达式中找出各物理量的关系，结合与人造卫星相关的科普视频加深理解。
【教学难点】
1．对牛顿提出的能够围绕地球的抛体运动的理解。
突破难点的方法：在PPT中用动画展示不同速率的炮弹水平射出时落地点是怎样变化的，直观地将牛顿的猜想为学生呈现出来。
2．对同步卫星的认识。
突破难点的方法：在PPT中呈现同步卫星的动态图片，将同步卫星的诸多特点直观地为学生展现出来，再引导学生总结同步卫星的特点。
【教法学法】
教法：讲授法、讨论法。
学法：合作学习法、讨论法、阅读法。
【教具学具】
多媒体设备，地球仪，不同半径的塑料圆圈。
【课时安排】
1课时。
【教学思路】
本设计的内容包括三个方面：一是人类将人造卫星从幻想变为现实的历程，二是在教师讲授的基础上推导出第一宇宙速度的大小并了解第二、第三宇宙速度，三是了解同步卫星的特点。
本设计的基本思路是：由万户飞天和嫦娥奔月的传说以及嫦娥一号发射的画面，引发学生的学习兴趣。再通过学生已掌握的平抛运动知识，阐述牛顿所提出的猜想。然后，向学生讲述什么是第一宇宙速度，进一步提出问题：第一宇宙速度的大小为多少？学生通过讨论交流与计算，推导出第一宇宙速度的大小。再让学生用重力与近地卫星所受向心力的关系，再次推导第一宇宙速度的大小，加深对第一宇宙速度的理解，并在此基础上让学生了解第二、第三宇宙速度。最后，向学生介绍同步卫星，并总结其特点，再让学生计算出同步卫星轨道距地高度。
【教学过程】
环节一 创设情境，引入课题
◆教师活动
给学生观看“万户飞天”以及“嫦娥奔月”的图片，讲述古人们的航天梦。然后，为学生播放嫦娥一号发射的视频（或画面），告诉学生，这个梦想在今天已得以实现。而本节课将会带着大家一起揭开卫星发射的“神秘面纱”。
让学生思考卫星是如何实现升天并围绕地球运动的？
◆学生活动
认真思考、讨论交流。
◆教师活动
总结学生观点。
早在三百多年前，牛顿就在他的《自然哲学的数学原理》一书中对这个问题提出了设想，请跟随牛顿的足迹去一探究竟。
★设计意图
以中国古老的神话为开端，激起学生的兴趣，引导学生积极思考。
环节二 讨论交流
◆教师活动
向学生提问，并让学生讨论交流：
（1）如果我们在高山顶上架起一门大炮，并将炮弹平射出去，若没有空气阻力，炮弹的落地点和发射炮弹的速度将有怎样的关系？
（2）如果炮弹发射速度很大，我们是否能将地球看作是一个平面呢？在这种情况下，炮弹还会落到地面上吗？
◆学生活动
思考、讨论、交流。
★设计意图
以平抛运动为出发点，使学生在思考、讨论与交流的过程中感受，在地球上的一个很高的位置上将一个物体以很大初速度平射出去和之前所学的平抛运动有何区别。
环节三 追溯历史
◆教师活动
总结学生发言。
如果不计空气阻力，炮弹飞行距离将会和炮弹发射速度成正比；如果炮弹速度足够大，那么它将不会落到地面上，而是会围绕地球做圆周运动。这正是牛顿的猜想，但可惜他并没有看到他的猜想得以证实。1895年，齐奥尔科夫斯基在牛顿猜想的基础上，提出了制造和发射人造卫星的设想；1957年10月4日，第一颗人造卫星被送上了环绕地球的轨道。
◆学生活动
结合PPT中不同速率的炮弹平射时落地点不同的动画，理解牛顿的猜想。
★设计意图
通过讲授与动画相结合，使学生理解牛顿的猜想，将平抛运动与航天衔接起来。
环节四 讨论交流，计算推导
◆教师活动
告诉学生，我们如果想发射人造卫星，可利用三级火箭为人造卫星加速，由火箭把卫星“运送”到一定高度，并且只有获得足够大的速度后才能发射成功。思考：当卫星进入轨道后做什么运动？
◆学生活动
思考后回答做匀速圆周运动。
◆教师活动
是什么力提供卫星做匀速圆周运动的向心力？
◆学生活动
万有引力。
◆教师活动
卫星绕地球做匀速圆周运动，请大家用塑料圆圈在地球仪上比量一下，看看它存在哪些可能的轨道？
◆学生活动
做实验进行探究。
◆教师活动
从实验中可以看出，卫星绕地球做圆周运动的半径可大可小。设人造卫星质量为m，地球质量为M，人造卫星绕地球飞行的轨道半径为r，人造卫星的运行速度为v，请推导一下运行速度v与轨道半径的关系。
◆学生活动
认真推导。
由于卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对它的引力提供，则有
解得
根据可以看出，卫星距地越远，轨道半径越大，它的运行速度也就越小。
◆教师活动
发射一个低轨道卫星与发射一个高轨道卫星哪个需要的能量更多？
◆学生活动
讨论交流发表见解，认为发射一个高轨道卫星需要的能量更多。
◆教师活动
物理学中，把使卫星能绕地球运行所需的最小速度叫作第一宇宙速度，轨道在地球表面附近的卫星叫作近地卫星，计算时，轨道半径可以近似取地球半径。由于发射近地卫星所需能量最少，所以近地卫星的运行速度便是第一宇宙速度。请同学们来计算第一宇宙速度。
◆学生活动
代入数据得：km/s。
◆教师活动
在地球表面附近，重力近似等于万有引力。请用所学知识推导第一宇宙速度与地球表面附近重力加速度、地球半径之间的关系。
◆学生活动
认真推导。
km/s
★设计意图
加深学生对万有引力定律的理解，能够运用相关知识自行推导出第一宇宙速度。
环节五 阅读教材
◆教师活动
如果卫星进入近地卫星轨道时的速度大于7.9km/s时将会做什么样的运动？为什么？
◆学生活动
讨论交流发表见解。
由于卫星在该位置时，其万有引力小于所需的向心力，即万有引力不足以提供卫星做圆周运动所需的向心力，卫星将做离心运动，运动到更高的轨道。
◆教师活动
安排让学生阅读教科书，之后进行总结：如果卫星进入近地卫星轨道的速度再大些呢？又会出现什么情况？
PPT演示第二、第三宇宙速度相关知识。
◆学生活动
阅读教科书并归纳总结。
★设计意图
培养学生的自学能力，使学生对第二、第三宇宙速度有基本的理解。
环节六 观察讨论
◆教师活动
在许许多多的人造卫星中，存在着一些特殊的卫星，如卫星轨道平面和太阳光线保持固定交角的极地卫星，这种卫星常被用来采集全球的气象资料（PPT，展示极地卫星的图片）。除此之外，还有一种非常重要的人造卫星，它具有和地球自转一样的周期，且相对地面某一点的位置不变，叫作地球轨道同步卫星，又叫作静止卫星（PPT展示有关同步卫星的图片）。
提出问题：同步卫星还有哪些特点？
记录学生的回答，并加以总结。
总结：同步卫星的周期T一定，为24h；同步卫星的角速度一定，等于地球自转的角速度；同步卫星的向心加速度大小一定；同步卫星运行轨迹与赤道平面共面；同步卫星离地面的高度一定。
◆学生活动
思考并回答问题。
★设计意图
通过视频或图片，使学生直观地认识同步卫星。再提出问题，让学生在思考的过程中明确同步卫星的特点。
环节七 计算推导
◆教师活动
提问：我们能否根据同步卫星的特点求得同步卫星离地面的高度？
总结：根据，所以r=。
同步卫星的距地高度h=r-Rm=36000km。
◆学生活动
分小组合作探究，得出同步卫星距地高度。
★设计意图
使学生结合本节知识，推导出同步卫星的距地高度，加深学生对本节知识的运用能力以及对同步卫星特点的理解。
环节八 课堂小结
◆教师活动
带领学生一起梳理本节所学内容并加以总结：在本节中，了解了牛顿的猜想，明白卫星的发射过程，推导了第一宇宙速度，了解了第二宇宙速度和第三宇宙速度，掌握了同步卫星的特点。
◆学生活动
回顾本节所学知识，跟随老师一起进行梳理和总结。
★设计意图
通过课堂小结，加深学生对知识的理解以及体系的构建。
【板书设计】
一、人造卫星
牛顿的猜想
二、宇宙速度
第一宇宙速度：
第二宇宙速度：
第三宇宙速度：
三、同步卫星
1．运动轨迹与赤道平面共面。
2．周期T=24h。
3．角速度与地球自转角速度相等。
4．向心加速度大小一定。
5．距地高度36000km。

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