PAGEPAGE8《宇宙航行》教案一、教材分析《宇宙航行》是普通高中教科書物理必修第二冊第六章第5節(jié)的內(nèi)容?！坝钪婧叫小笔潜菊碌淖詈笠还?jié)，屬于課程標(biāo)準(zhǔn)中“力和運動”的模塊。本節(jié)是在學(xué)生學(xué)了圓周運動、萬有引力定律并初步體會了應(yīng)用定律測量天體質(zhì)量的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)的，主要研究如何利用力和運動的關(guān)系實現(xiàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，并結(jié)合勻速圓周運動的規(guī)律及萬有引力定律總結(jié)衛(wèi)星運行的參數(shù)特點，讓學(xué)生認(rèn)識萬有引力理論在人類航天事業(yè)發(fā)展、探索宇宙空間所作出的重大貢獻(xiàn)，深刻體會物理知識對科技發(fā)展做出的貢獻(xiàn)。二、學(xué)情分析通過學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生已經(jīng)掌握如何計算萬有引力，并知道物體做勻速圓周運動的受力特征，熟悉了用線速度、角速度、周期表示的向心力表達(dá)式，知道忽略地球自轉(zhuǎn)時重力與萬有引力的關(guān)系，且對衛(wèi)星發(fā)射、同步衛(wèi)星、探索宇宙奧秘有濃厚興趣。但是學(xué)生建立運動模型，動腦分析深層次問題還不夠積極主動，表述時還缺少邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性，對于討論物理量之間的聯(lián)系還不能準(zhǔn)確無誤，認(rèn)識問題容易表面化。三、教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念（二）科學(xué)思維通過勻速圓周運動模型的分析處理，計算人造地球衛(wèi)星運行的線速度、角速度、周期，并能總結(jié)衛(wèi)星“圓規(guī)道”運行參數(shù)與軌道半徑的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用解決物理問題的能力（三）科學(xué)探究通過牛頓對衛(wèi)星設(shè)想的動畫演示，體驗，學(xué)會建立“勻速圓周運動模型”，推導(dǎo)第一宇宙速度，理解第一宇宙速度的物理含義；了解第二和第三宇宙速度的數(shù)值及含義，并感受人類對客觀世界不斷探究的精神和情感；（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過視頻資料及網(wǎng)絡(luò)資源了解近地衛(wèi)星、地球同步衛(wèi)星，嘗試?yán)盟鶎W(xué)的知識分析衛(wèi)星的運行特點。激發(fā)學(xué)生探索未知事物的興趣，樹立為我國航天事業(yè)發(fā)展而努力奮斗的信念。四、教學(xué)重點衛(wèi)星做勻速圓周運動時，運動參量的推導(dǎo)與應(yīng)用五、教學(xué)難點1、理解第一宇宙速度的含義。2、人造衛(wèi)星處理方法（繞地球的“勻速圓周運動”模型六、教學(xué)過程【課的引入】圖片：星空、飛天、太空行走，從人類對宇宙的向往及如今夢想實現(xiàn)來引出課題學(xué)生活動：觀看圖片，感受宇宙之美，產(chǎn)生對探索宇宙，掌握衛(wèi)星運動規(guī)律的興趣教學(xué)資源：圖片：星空、飛天、太空行走設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，感受自然和諧之美，感受人類實現(xiàn)夢想的自豪感【活動】新課教學(xué)：1、衛(wèi)星的發(fā)射（1）牛頓對人造衛(wèi)星的設(shè)想。由生活經(jīng)驗得到物體平拋的初速度越大，被認(rèn)出得越遠(yuǎn)，【視頻】：牛頓設(shè)想：站在高山，以更大的速度將物體拋出，物體的軌跡在地面的投影為地球的一段圓弧，速度越大，對應(yīng)的圓弧越大，速度大于某一值時，物體應(yīng)該繞地球表面飛行，不落向地面?！驹O(shè)問】1、此時物體的受力與運動有怎樣的關(guān)系？學(xué)生活動：觀察、思考、推理：從物體的受力與運動分析，建立繞地球的“勻速圓周運動”模型。設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生對常見現(xiàn)象深入思考的能力，培養(yǎng)分析物理問題，建立物理模型的意識。（2）第一宇宙速度的計算與含義【設(shè)問】你能計算出使物體不再下落，恰好繞著地球飛行的最小發(fā)射速度嗎？鼓勵學(xué)生用不同的方法計算最小的發(fā)射速度。學(xué)生活動：建立勻速圓周運動模型，利用合外力等于向心力列方程進(jìn)行求解；從萬有引力與重力的關(guān)系思考如何求出最小發(fā)射速度；總結(jié)第一宇宙速度的第一及計算方法③、播放視頻：第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射。設(shè)計意圖：促使學(xué)生在新情境中進(jìn)一步理解勻速圓周運動的特點，學(xué)習(xí)建立模型，并利用不同的思路解題，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)能力。感受理論研究對實際應(yīng)用的指導(dǎo)作用。體會物理知識的強大，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。（3）第二、三宇宙速度【引導(dǎo)和設(shè)問】1、如果發(fā)射速度大于7.9km/s衛(wèi)星會如何運動？學(xué)生活動:做出猜想，嘗試畫出物體可能的運動軌跡，并嘗試說明繪制的依據(jù)。學(xué)生活動：思考，交流，傾聽。形成思維碰撞，通過教師的引導(dǎo)，學(xué)生間的相互補充，嘗試用圓周運動中力的供需關(guān)系解釋衛(wèi)星運動的軌跡。了解第二宇宙速度和第三宇宙速度的含義。教師引導(dǎo)學(xué)生：從力與運動的關(guān)系去思考問題。并說明實際的運動軌跡要通過更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推算得出。請有興趣的同學(xué)參考牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》動畫展示：衛(wèi)星以不同發(fā)射速度發(fā)射時的運動情況教學(xué)資源：課本：P44，電子白板，F(xiàn)LASH動畫。設(shè)計意圖：通過該環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生在面對書中的結(jié)論時學(xué)會深入思考，發(fā)展學(xué)生思維的深刻性，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，并通過討論進(jìn)一步加深對與力和運動關(guān)系的認(rèn)識。通過動畫形象生動的表現(xiàn)三個宇宙速度下物體的運動，使學(xué)生印象深刻【活動】2、衛(wèi)星的運行(1)衛(wèi)星的運行參數(shù)【設(shè)問】質(zhì)量為m的衛(wèi)星繞地球M做勻速圓周運動時，其運行的線速度、角速度、周期和向心加速度的大小與什么因素有關(guān)？教師：利用動畫演示進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生用最簡潔的話語總結(jié)衛(wèi)星的運動規(guī)律學(xué)生活動：總結(jié)衛(wèi)星勻速圓周運動時的運動規(guī)律：高軌低速周期長或軌道越高，衛(wèi)星運行越慢。教學(xué)資源：學(xué)案、實物展臺、FLASH動畫設(shè)計意圖：進(jìn)一步認(rèn)識衛(wèi)星做勻速圓周運動的規(guī)律，為后續(xù)地球同步衛(wèi)星的學(xué)習(xí)鋪墊基礎(chǔ)，同時鍛煉學(xué)生歸納總結(jié)，簡潔表述的能力。(2)比較發(fā)射速度與運行速度【講解與設(shè)問】明確什么是發(fā)射速度，什么是運行速度。①、最小的發(fā)射速度是多少？最大的環(huán)繞速度是多少？②、比較發(fā)射速度、第一宇宙速度、衛(wèi)星勻速圓周運動運行速度的大小。③、近地衛(wèi)星的運行速度是多少？學(xué)生活動：總結(jié)：宇宙速度都指發(fā)射速度。通過討論認(rèn)識7.9km/s既是最小的發(fā)射速度，也是最大的環(huán)繞速度；總結(jié)：V發(fā)≥7.9km/s≥V運；近地衛(wèi)星：v=7.9km/s設(shè)計意圖：幫助學(xué)生明晰發(fā)射速度與運行速度的概念，并掌握兩者的區(qū)別與聯(lián)系.明確近地衛(wèi)星的運動特點，便于與同步衛(wèi)星進(jìn)行比較?！净顒印?、地球同步衛(wèi)星(1)討論地球同步衛(wèi)星的軌道特點【播放視頻】“北斗”導(dǎo)航定位系統(tǒng)中有關(guān)地球靜止軌道衛(wèi)星的新聞?！緢D片】北斗系統(tǒng)衛(wèi)星軌道圖【追問】哪一個是地球靜止軌道？學(xué)生活動：了解地球同步衛(wèi)星的含義，分析同步衛(wèi)星的軌道特點。總結(jié)：所有衛(wèi)星軌道的中心都應(yīng)該在地球的中心。設(shè)計意圖：通過學(xué)生的交流互動，教師的質(zhì)疑啟發(fā)，認(rèn)識同步衛(wèi)星的軌道只能與赤道共面的必要性，進(jìn)一步理解衛(wèi)星在圓軌道上穩(wěn)定運行時，必定滿足萬有引力=向心力。(2)討論地球同步衛(wèi)星的運行參數(shù)特點【追問】地球同步衛(wèi)星的周期一定，與地球自轉(zhuǎn)的周期相同是24h，那么其它運行參數(shù)有何特點？教師：介紹地球同步衛(wèi)星最多只有120顆。學(xué)生活動：通過例題，總結(jié)：地球同步衛(wèi)星的“六個一定”。感受空間資源的有限，認(rèn)識發(fā)展發(fā)展航天事業(yè)的緊迫性。教學(xué)資源：學(xué)案設(shè)計意圖：感受物理知識的實際應(yīng)用。通過學(xué)生的交流互動，教師的質(zhì)疑啟發(fā)，認(rèn)識同步衛(wèi)星的軌道只能與赤道共面的必要性，進(jìn)一步理解衛(wèi)星在圓軌道上穩(wěn)定運行時，必定滿足萬有引力=向心力。感受我國航天事業(yè)的發(fā)展具有領(lǐng)先水平，增強民族自豪【講授】4、激發(fā)興趣、放飛夢想【播放視頻】：回顧人類史上載人航天事業(yè)的發(fā)展。設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，客觀認(rèn)識我國與發(fā)達(dá)國家在航天事業(yè)上的差距，樹立為我國航天事業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的信念【講授】課后知識總結(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)課所學(xué)的主要內(nèi)容，并提供一些網(wǎng)址，鼓勵有興趣的學(xué)生進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，撰寫小論文。合格考達(dá)標(biāo)練1.假設(shè)地球的質(zhì)量不變,而地球的半徑增大到原來半徑的2倍,那么地球的第一宇宙速度的大小應(yīng)為原來的()A.2 B.22 C.12 D答案B解析因第一宇宙速度即為地球近地衛(wèi)星的線速度,此時衛(wèi)星的軌道半徑近似等于地球的半徑,且地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供向心力。由Gm地mR2=mv2R得v=Gm地R,因此,當(dāng)m地不變,R2.(多選)(山東濰坊?？?年4月29日中國空間站天和核心艙成功發(fā)射入住九天,緊接著年5月15日火星探測器天問一號送祝融號火星車成功落火,2020年12月嫦娥五號奔月取回近2kg月壤。若“探月”“落火”“入九天”過程中,在從地球上的發(fā)射速度分別是v月、v火和v天,下列關(guān)于這三個速度的說法正確的是()A.7.9km/s<v月<11.2km/sB.v火>16.7km/sC.v天>11.2km/sD.11.2km/s<v火<16.7km/s答案AD解析月球探測器繞月球飛行,發(fā)射時飛離地球但繞月時仍在地球引力范圍內(nèi),故7.9km/s<v月<11.2km/s;火星探測器飛離地球但仍在太陽的引力范圍內(nèi),故11.2km/s<v火<16.7km/s;天和核心艙是繞地球運行的空間站,所以v天<7.9km/s,故B、C錯誤,A、D正確。3.由于通信和廣播等方面的需要,許多國家發(fā)射了地球同步衛(wèi)星,這些衛(wèi)星的()A.質(zhì)量可以不同 B.軌道半徑可以不同C.軌道平面可以不同 D.速率可以不同答案A解析地球同步衛(wèi)星軌道必須在赤道平面內(nèi),離地面高度相同的同一軌道上,角速度、線速度、周期一定,與衛(wèi)星的質(zhì)量無關(guān)。選項A正確,B、C、D錯誤。4.(多選)如圖所示,牛頓在思考萬有引力定律時就曾設(shè)想,把物體從高山上O點以不同的速度v水平拋出,速度一次比一次大,落地點也就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大,物體就不再落回地面,它將繞地球運動,成為人造地球衛(wèi)星,則下列說法正確的是()A.以v<7.9km/s的速度拋出的物體可能落在A點B.以v<7.9km/s的速度拋出的物體將沿B軌道運動C.以7.9km/s<v<11.2km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動D.以11.2km/s<v<16.7km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動答案AC解析物體拋出速度v<7.9km/s時必落回地面,物體拋出速度v=7.9km/s時,物體剛好能不落回地面,繞地球做圓周運動,選項A正確,B錯誤;當(dāng)物體拋出速度7.9km/s<v<11.2km/s時,物體在拋出點做離心運動,但物體不能脫離地球引力束縛,故物體做橢圓運動,可能沿C軌道運動,選項C正確;當(dāng)物體拋出速度v>11.2km/s時,物體會脫離地球引力束縛,不可能沿C軌道運動,選項D錯誤。5.若取地球的第一宇宙速度為8km/s,某行星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的6倍,半徑是地球半徑的1.5倍,此行星的第一宇宙速度約為()A.16km/s B.32km/sC.4km/s D.2km/s答案A解析第一宇宙速度是行星表面衛(wèi)星的環(huán)繞速度,對于衛(wèi)星,其軌道半徑近似等于星球半徑,所受萬有引力提供其做勻速圓周運動的向心力,根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律得Gm地mR2=mv2R,解得v=Gm地R。因為該行星的質(zhì)量m星是地球質(zhì)量m地的6倍,半徑R'是地球半徑R的1.5倍,則v'v=Gm6.中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),如圖所示是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中部分衛(wèi)星的軌道示意圖,已知a、b、c三顆衛(wèi)星均做圓周運動,a是地球同步衛(wèi)星,則()A.衛(wèi)星a的角速度小于c的角速度B.衛(wèi)星a的加速度大于b的加速度C.衛(wèi)星a的運行速度大于第一宇宙速度D.衛(wèi)星b的周期大于24h答案A解析由萬有引力提供向心力有Gm地mr2=mω2r=m4π2T2r=mv2r=ma,得ω=Gm地r3,a=Gm地r2,v=Gm地r,T=2πr3Gm地。a的軌道半徑大于c的軌道半徑,因此衛(wèi)星a的角速度小于c的角速度,選項A正確;a的軌道半徑與b的軌道半徑相等,因此衛(wèi)星a的加速度等于b的加速度,選項B錯誤;a的軌道半徑大于地球半徑,因此衛(wèi)星7.星球上的物體脫離星球引力所需的最小速度稱為該星球的第二宇宙速度,星球的第二宇宙速度v2與其第一宇宙速度v1的關(guān)系是v2=2v1。已知某星球的半徑為r,表面的重力加速度為地球表面重力加速度g的16,不計其他星球的影響,則該星球的第二宇宙速度為(A.gr B.1C.13gr D.答案C解析16mg=mv12r得v1=16gr。再根據(jù)v2=2v1得v28.據(jù)報道:某國發(fā)射了一顆質(zhì)量為100kg、周期為1h的人造環(huán)月衛(wèi)星。一位同學(xué)記不住引力常量G的數(shù)值,且手邊沒有可查找的資料,但他記得月球半徑為地球半徑的14,月球表面重力加速度為地球表面重力加速度的16,經(jīng)過推理,他認(rèn)定該報道是一則假新聞,試寫出他的論證方案。(地球半徑約為6.4×103km,地球表面重力加速度g地取9.8m/s答案見解析解析對環(huán)月衛(wèi)星,根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律有Gm月mr2=m4π2T則r=R月時,T有最小值,又Gm月R故Tmin=2πR月g月=2π14代入數(shù)據(jù)解得Tmin=1.73h環(huán)月衛(wèi)星最小周期為1.73h,故該報道是則假新聞。等級考提升練9.年4月27日23時22分迎來了年的“最大滿月”,俗稱“超級月亮”。2020年10月31日2時45分出現(xiàn)一個“最小滿月”。月亮一年內(nèi)要繞地球轉(zhuǎn)12圈多,每個月都會經(jīng)過近地點,最近的時候可能達(dá)到3.5×105km,一般情況下在3.6×105~3.7×105km之間,當(dāng)月亮距離我們近時,看到的月亮大一些,當(dāng)月亮距離我們遠(yuǎn)時,看到的月亮小一些。下列關(guān)于這一現(xiàn)象說法正確的是()A.“最大滿月”比“最小滿月”運行的線速度小B.“最大滿月”比“最小滿月”在相等的時間內(nèi)與地球的連線掃過的面積大C.“最大滿月”繞地球運行的加速度小于同步衛(wèi)星的加速度D.要發(fā)射一顆衛(wèi)星和月球在同一個軌道繞地球運行,發(fā)射速度應(yīng)大于11.2km/s答案C解析由Gm地mr2=mv2r解得v=Gm地r,由于“最大滿月”時與“最小滿月”時相比,月亮離地球更近,所以“最大滿月”比“最小滿月”運行的線速度大,故A錯誤;由開普勒第二定律可知,“最大滿月”比“最小滿月”在相等的時間內(nèi)與地球的連線掃過的面積相等,故B錯誤;由公式Gm地mr2=ma可知,由于“最大滿月”時月球到地球的距離比同步衛(wèi)星到地球的距離更遠(yuǎn),所以“最大滿月”10.(2020天津卷)北斗問天,國之夙愿。我國北斗三號系統(tǒng)的收官之星是地球靜止軌道衛(wèi)星,其軌道半徑約為地球半徑的7倍。與近地軌道衛(wèi)星相比,地球靜止軌道衛(wèi)星()A.周期大 B.線速度大C.角速度大 D.加速度大答案A解析由Gm地mr2=m2πT2r、Gm地mr2=mv2r、Gm地mr2=mω2r、Gm地mr2=ma可得T=2πr11.(多選)土星外層上有一個環(huán)(如圖所示),為了判斷它是土星的一部分還是土星的衛(wèi)星群,可以測量環(huán)中各層的線速度v與該層到土星中心的距離R之間的關(guān)系來判斷()A.若v∝R,則該層是土星的一部分B.若v2∝R,則該層是土星的衛(wèi)星群C.若v∝1RD.若v2∝1R答案AD解析若為土星的一部分,則它們與土星繞同一圓心做圓周運動的角速度應(yīng)與土星相同,根據(jù)v=Rω可知v∝R;若為土星的衛(wèi)星群,則由公式Gm土mR2=mv2R可得v2∝1R。故A12.某星球的半徑為R,在其表面上方高度為aR的位置,以初速度v0水平拋出一個金屬小球,水平射程為bR,a、b均為數(shù)值極小的常數(shù),則這個星球的第一宇宙速度為()A.2abv0 B.