云南省峨山彝族自治縣高中物理第六章萬有引力與航天教案(打包7套)新人教版必修2.zip
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5.宇宙航行
三維目標(biāo)
知識(shí)與技能
1.了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí);
2.知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。
過程與方法
通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。
情感、態(tài)度與價(jià)值觀
1.通過介紹我國(guó)在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況,激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)熱情;
2.感知人類探索宇宙的夢(mèng)想.促使學(xué)生樹立獻(xiàn)身科學(xué)的人生價(jià)值觀。
教學(xué)重點(diǎn)
第一宇宙速度的推導(dǎo)。
教學(xué)難點(diǎn)
運(yùn)行速率與軌道半徑之間對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
教學(xué)方法
探究、講授、討論、練習(xí)。
教具準(zhǔn)備
多媒體課件
教學(xué)過程
[新課導(dǎo)入]
1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星,開創(chuàng)了人類航天時(shí)代的新紀(jì)元。我國(guó)在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來,相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星,掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù),1999年發(fā)射了“神舟”號(hào)試驗(yàn)飛船。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我們對(duì)人造衛(wèi)星已有所了解,那么地面上的物體在什么條件下才能成為人造衛(wèi)星呢?人造衛(wèi)星的軌道半徑和它的運(yùn)動(dòng)速率之間有什么關(guān)系呢?這節(jié)課,我們要學(xué)習(xí)有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識(shí)。
[新課教學(xué)]
一、人造地球衛(wèi)星
1.牛頓的設(shè)想
在高山上用不同的水平初速度拋出一個(gè)物體,不計(jì)空氣阻力,它們的落地點(diǎn)相同嗎?
它們的落地點(diǎn)不同,速度越大,落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn)。因?yàn)樵谕蛔呱缴蠏伋?,它們?cè)诳罩羞\(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同,速度大的水平位移大,所以落地點(diǎn)也較遠(yuǎn)。
假設(shè)被拋出物體的速度足夠大,物體的運(yùn)動(dòng)情形又如何呢?
如果地面上空有一個(gè)相對(duì)于地面靜止的物體,它只受重力的作用,那么它就做自由落體運(yùn)動(dòng),如果物體在空中具有一定的初速度,且初速度的方向與重力的方向垂直,那么它將做平拋運(yùn)動(dòng),牛頓曾設(shè)想過:從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度一次比一次大,落地點(diǎn)也一次比一次離山腳遠(yuǎn),如果沒有空氣阻力,當(dāng)速度足夠大時(shí),物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來,它將圍繞地球旋轉(zhuǎn),成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星,簡(jiǎn)稱人造衛(wèi)星。
2.人造地球衛(wèi)星
(1)人造地球衛(wèi)星
從地面拋出的物體,在地球引力的作用下繞地球旋轉(zhuǎn),就成為繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。
(2)人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件
地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。
(3)描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的物理量
設(shè)地球的質(zhì)量為M,衛(wèi)星的質(zhì)量為m,地球的半徑為R,衛(wèi)星離地面的高度為h,則衛(wèi)星的軌道半徑r=R+h,設(shè)衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)的向心加速度為a,線速度為v,角速度為ω,周期為T,根據(jù)萬有引力提供人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力這一基本力學(xué)關(guān)系,得:
r
M
m
F
v
①衛(wèi)星的向心加速度
,r↑→a↓。
②衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度
,r↑→ω↓。
③衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度
,r↑→v↓。
④衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期
,r↑→T↑。
當(dāng)人造衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運(yùn)動(dòng)時(shí),rmin=R,Tmin=5060s。所以不可能在地球上發(fā)射一顆周期是80min的衛(wèi)星。
強(qiáng)調(diào)衛(wèi)星的軌道與相關(guān)各量的一一對(duì)應(yīng)性。
二、宇宙速度
設(shè)一顆人造衛(wèi)星沿圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn),衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力由地球的萬有引力來提供。由知,距地面越高的衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率越小。
【思考討論】是向高軌道發(fā)射困難,還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難呢?
向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難,因?yàn)橄蚋哕壍腊l(fā)射衛(wèi)星,火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α?
1.第一宇宙速度
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,叫做第一宇宙速度(first cosmetic velocity),也叫做地面附近的環(huán)繞速度。
對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星,可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑R,則
=7.9km/s
2.第二宇宙速度
如果衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,此時(shí)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道又如何呢?
①當(dāng)人造衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,而小于11.2 km/s,它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不是圓形,而是橢圓。②當(dāng)物體的速度等于或大于11.2km/s時(shí),衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力,不再繞地球運(yùn)行。(此時(shí)軌道為拋物線)
從地面上發(fā)射人造天體,要使它脫離地球的引力,不再繞地球運(yùn)行,所需要的最小發(fā)射速度,叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。
=11.2 km/s
3.第三宇宙速度
達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。在地面附近發(fā)射一個(gè)物體,要使物體掙脫太陽引力的束縛,飛到太陽系外,必須使它的速度等于或大于16.7 km/s,這個(gè)速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度發(fā)射的人造天體,其軌道為雙曲線)
從地面上發(fā)射人造天體,使它不僅能脫離地球的引力,而且還能脫離太陽系的引力束縛,這時(shí)所需要的最小發(fā)射速度,叫第三宇宙速度,也稱為逃逸速度。
v3=16.7km/s
三、同步衛(wèi)星簡(jiǎn)介
(向?qū)W生介紹有關(guān)衛(wèi)星的軌道問題:讓學(xué)生畫出他認(rèn)為可能的軌道,逐一分析,得出衛(wèi)星的軌道要想穩(wěn)定,軌道必須在通過地球球心的大圓軌道內(nèi)。介紹軌道平面、軌道傾角等概念;介紹極地軌道、赤道軌道等軌道類型)
F1
F2
F
同步衛(wèi)星是指相對(duì)于地球靜止,即始終在地球某一位置的正上方。因而,同步衛(wèi)星必須有一定的條件。
首先,衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向必須與地球的自轉(zhuǎn)方向一致,且和地球自轉(zhuǎn)的角速度要相同。
如圖所示,假定衛(wèi)星m在赤道上空以外的某空間隨地球轉(zhuǎn)動(dòng),其受力為地球?qū)λ娜f有引力F,將F分解為指向地軸的分力F1,該力作為衛(wèi)星隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力,另一分力為F2,實(shí)際中找不到與F2相平衡的力,所以衛(wèi)星將落向赤道平面,此時(shí)地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力全部作為向心力,所以同步衛(wèi)星只能定點(diǎn)在赤道上空。
1.地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)
(1)衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合,衛(wèi)星位于地球赤道的正上方,運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。
(2)衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期相同,或角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。
【例題】已知地球半徑R=6400km,運(yùn)轉(zhuǎn)周期T=24h=24×3600s,地球質(zhì)量M=5.98×1024kg,求同步衛(wèi)星的軌道高度h?
解析:同步衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力同萬有引力提供,根據(jù)向心力公式有:
代入數(shù)值解得:h=3.6×107m。
(說明:可以用GM=R2g來計(jì)算)
2.地球同步衛(wèi)星的“五定”
定周期(運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同);定軌道平面(軌道平面與赤道平面重合);定高度(離地高度為36000km),定速度(線速度均為3.1×103m/s);定點(diǎn)(每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上)。
四、夢(mèng)想成真
探索宇宙的奧秘,奔向廣闊而遙遠(yuǎn)的太空,是人類自古以來的夢(mèng)想。
真正為人類邁向太空提供科學(xué)思想的,是生于19世紀(jì)中葉的俄羅斯學(xué)者齊奧爾科夫斯基。他指出,利用噴氣推進(jìn)的多級(jí)火箭,是實(shí)現(xiàn)太空飛行最有效的工具。
地球是人類的搖籃,但是人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里。
——齊奧爾科夫斯基
1957年10月4日,世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6 kg,每96min繞地球飛行一圈。
幾年之后,1961年4月12日,蘇聯(lián)空軍少校加加林進(jìn)入了東方一號(hào)載人飛船。火箭點(diǎn)火起飛,飛船繞地球飛行一圈,歷時(shí)108 min,然后重返大氣層,安全降落在地面,鑄就了人類進(jìn)入太空的豐碑。
1969年7月16日9時(shí)32分,阿波羅11號(hào)飛船在美國(guó)卡納維拉爾角點(diǎn)火升空,拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月19日,飛船進(jìn)入月球軌道。7月20日,指揮長(zhǎng)阿姆斯特朗和駕駛員奧爾德林進(jìn)入登月艙,與母船分離后于下午4時(shí)17分在月面著陸。10時(shí)56分,阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面,并說出了那句載入史冊(cè)的名言:“對(duì)個(gè)人來說,這不過是小小的一步,但對(duì)人類而言,卻是巨大的飛躍?!比藗冏YR說:“由于你們的成功,天空已成為人類世界的一部分?!?
1992年,中國(guó)載人航天工程正式啟動(dòng)。2003年10月15日9時(shí),我國(guó)神舟五號(hào)宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,把中國(guó)第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后,于10月16日6時(shí)23分安全降落在內(nèi)蒙古主著陸場(chǎng)。這次成功的發(fā)射實(shí)現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢(mèng)想,標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載入航天活動(dòng)的國(guó)家,為進(jìn)一步的空間科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
盡管人類已經(jīng)跨入太空,登上月球,但是,相對(duì)于宇宙之宏大,地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃;相對(duì)于宇宙之久長(zhǎng),人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界?有沒有起始和終結(jié)?地外文明在哪里?……
愛因斯坦曾經(jīng)說過:“一個(gè)人最完美和最強(qiáng)烈的情感來自面對(duì)不解之謎?!蹦阆爰尤肫平馑男辛袉??
[小結(jié)]
通過本節(jié)課的學(xué)習(xí),我們學(xué)習(xí)了繞地球飛行的衛(wèi)星情況,了解了描述衛(wèi)星的物理量的特點(diǎn)。知道了第一宇宙速度(環(huán)繞速度)v1=7.9km/s;第二宇宙速度(脫離速度)v2=11.2km/s;第三宇宙速度(逃逸速度)v3=16.7km/s。要區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度與衛(wèi)星進(jìn)入軌道后的環(huán)繞速度。
[布置作業(yè)]
教材第44頁“問題與練習(xí)”。
板書設(shè)計(jì)
5.宇宙航行
一、人造地球衛(wèi)星
1.牛頓的設(shè)想
2.人造地球衛(wèi)星
(1)人造地球衛(wèi)星
從地面拋出的物體,在地球引力的作用下繞地球旋轉(zhuǎn),就成為繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。
(2)人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件
地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。
(3)描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的物理量
r
M
m
F
v
①衛(wèi)星的向心加速度
,r↑→a↓。
②衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度
,r↑→ω↓。
③衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的線速度
,r↑→v↓。
④衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期
,r↑→T↑。
二、宇宙速度
1.第一宇宙速度
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度,叫做第一宇宙速度(first cosmetic velocity),也叫做地面附近的環(huán)繞速度。
對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星,可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑R,則
=7.9km/s
2.第二宇宙速度
從地面上發(fā)射人造天體,要使它脫離地球的引力,不再繞地球運(yùn)行,所需要的最小發(fā)射速度,叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。
=11.2 km/s
3.第三宇宙速度
從地面上發(fā)射人造天體,使它不僅能脫離地球的引力,而且還能脫離太陽系的引力束縛,這時(shí)所需要的最小發(fā)射速度,叫第三宇宙速度,也稱為逃逸速度。
v3=16.7km/s
三、同步衛(wèi)星簡(jiǎn)介
1.地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)
(1)衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合,衛(wèi)星位于地球赤道的正上方,運(yùn)動(dòng)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。
(2)衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)的周期相同,或角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同。
2.地球同步衛(wèi)星的“五定”
定周期(運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同);定軌道平面(軌道平面與赤道平面重合);定高度(離地高度為36000km),定速度(線速度均為3.1×103m/s);定點(diǎn)(每顆同步衛(wèi)星都定點(diǎn)在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上)。
四、夢(mèng)想成真
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