4. 人造卫星 宇宙速度国家获奖教案

3.4人造卫星和宇宙速度

一、教学目标

1．知识与技能：

(1)了解三个宇宙速度意义。

(2)能够推导第一宇宙速度。

(3)简单了解航空发展史。

2．过程与方法：

(1)学习牛顿关于人造地球卫星的设想的推理方法

(2)学会推导第一宇宙速度的两种方法

3．情感态度与价值观：

(1)培养学生的科学探索精神。

(2)激发学生热爱科学的热情。

二、教学重点、难点

1．教学重点及其教学策略：

重

点：了解宇宙速度及其物理意义

教学策略：通过航天器的发射、升空、变轨的录像引入宇宙速度概念的意义。

2．教学难点及其教学策略：

难

点：第一宇宙速度的推导、关于第一宇宙速度是运行的最大值与发射的最小值。

教学策略：利用万有引力定律去正确理解天体运动的动力学关系

三、设计思路

2003年10月15日9时整，神州5号载人飞船发射成功，将中国第一名航天员送上太空,它标志着中国进入了载人航天时代，为中华民族进一步进行太空资源的开发和利用奠定了坚实的基础。本节内容本着激发学生学习兴趣，拓宽知识面的角度开展教学，让学生了解航空航天发展及中国的航天事业的发展概况。

四、教学资源

1．视频剪辑：杨利伟太空生活自拍剪辑、神舟5号发射视频剪辑。

2．多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。

五、教学设计

教师活动

学生活动

让学生真正感受到什么是科学，什么是科技。使学生明白科技服务于生活的道理。

让学生了解科学。

点

评

引入新课

学生思考：万有引力

1957年10月4日，苏联用三级火箭发射了世界上的第一颗人造地球卫星——定律对天文学的贡献。

“旅行者”1号，人类开始迈入航天时代。

问题：人类步入太空得益于物理学中的万有引力定律的贡献？它不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路。

2003年10月15日，“神舟”5号飞学生观看录像，了解船载着中国第一位航天员杨利伟成功升航天器发射升空的过程空，标志着我国进入了载人航天时代。

变化。

播放“神舟”5号发射升空的视频剪

辑录像。

问题：神舟5号飞船升空过程大致有几个过程？

问题：飞船怎样才能进入近地圆轨道？

背景：牛顿提出一个著名的思想实验：从高山顶水平抛出一个铅球，当抛出速度足够大时，铅球将环绕地球运动，成为一个“小月亮”

问题：牛顿思想的基础是什么？

一、第一宇宙速度

人造卫星就像一个小月亮，能在一定的轨道上绕地球运动。为简化起见，假设卫星绕地球做匀速圆周运动。

问题：“什么力”提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。

假设卫星地球和卫星的质量分别为M与m，卫星的轨道半径为r，（如图所示）2Mmv则卫星在轨道上的运行速度是多少？

G2m

学生根据录像回答：发射进入近地圆轨道、加速进入椭圆轨道（变轨）、进入大圆轨道。

学生思考？

学生了解“牛顿的预言”

学生思考：

在地面上抛出速度较小时作平抛运动，但随着速度增大，平抛的水平位移增加，由于地球是圆形（球体），所谓的“水平位移”实际上就变成了“弧长”，如果速度再增加，“弧长”将等于“周长”即物体围绕地球作圆周运动。

学生回答：地球对卫星的万有引力。

学生解答：

rr卫星运行速度

v

GM

r

问题：若地球质量M约为6×1024kg，地球平均半径为6400km，人造卫星的半径约为地球半径即近地卫星，则其运动速度是多少？（G=6.67×10-11N·m2/kg2）

培养学生观察能力与分析能力。

让学生感受科学家的思想之伟大。学习他们的科学的思维方法。

培养学生结合所学知识分析问题的能力。

让学生学会学习，能够根据自己所掌握的知识去解决问题，教师可适当地提示、指导即可。

Mmv2G2m

rr卫星运行速度

vGM

r代入数据：v=7.9km/s

问题：近球卫星所受的万有引力即在地表所受的重力，则卫星可以做圆周运动的向心力也可理解为重力提供向心力。从这要方向试求近地卫星的运行速度。

1、第一宇宙速度：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度，又叫环绕速度。

问题：在“牛顿预言”中若水平抛出的物体速度（相当于卫星的发射速度）至少多大才能围绕地球作圆周运动呢？

2、第一宇宙速度是发射速度中的最小值。发射速度小于该值则物体定会因“平抛”而“落地”。

问题：围绕地球运行的卫星轨道半径r大的其运行速度

（“大”或“小”）

3、第一宇宙速度是围绕地球做圆周运动卫星的运动速度中的最大值。

问题：如果航天器的发射速度大于7.9km/s将如何运动呢？

理论研究指出，如果航天器的（近地）发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s，它的轨道不再是圆而是围绕地球运动的一个椭圆。速度越大，椭圆轨道越“扁”（如图所示）当发射速度达到11.2km/s时就能脱离地球的引力束缚，“离开”地球。

学生回答：

v2mgm

强调：第一宇宙速r度是发射速度中vgr=7.9km/s 的最小值。

学生回答：v至少7.9km/s。

学生回答：

根据：

GM

v

r

r越大，则运动速度v越

小。

学生猜想……

学生了解：第二宇宙速度

的意义

第二、三宇宙

二、第二宇宙速度：当物体的速度等于或大于

11.2km/s，它就会离开地球，我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度，又叫脱离速度。

知识拓展：

根据机械能守恒

12MmMmmv(G)G

2Rr r为地球引力以外的某点到地球的距离，显然r→所以

GMmMmG0

r第二宇宙速度

v22GM=11.2(km/s) R

三、第三宇宙速度：在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。

知识拓展：太阳质量为M0，太阳中心到地球中心的距离为R0，类似于第二宇宙速度计算可以有：

v2GM0＝42.2km/s R0

由于地球绕太阳公园的速度为29.8km/s

所以相对地球只要: v＝42.2-29.8=12.4(km/s)发射，但考虑到地球引力存在，必须克服地球引力做功，所以：

12Mm1mv3Gmv2

2R2Mm12mv2

而GR2

式中v2是第二宇宙速度，将此式代入

学生了解第二宇宙速度

学有余力的同学了解拓展内容

学生了解第三宇宙速度。

学有余力的同学了解“知识拓展”。

学生了解航空航天发展史。

速度作定性的了解，知道其物理意义。

激发学生潜能。

增强学生民族自豪感。激发学生爱国主义热情。

上式，第三宇宙速度：

v3=16.7km/s

三、飞出地球

阅读教材“梦想成真”

中国神舟飞天五大步

第一步

“神舟一号”无人飞船

于１９９９年１１月２０日早晨，在酒泉

卫星发射中心由“长征二号”运载（ｚàｉ）火箭发射升空，第二天成功降落在内蒙古中部。这次是试验性太空飞行。

第二步

“神舟二号”无人飞船于２００１年１月１０日升空，于１月１６日成功降落。这次是按照载人飞船的要求进行的飞行试验。

第三步

“神舟三号”无人飞船于２００２年３月２５日夜升空，环绕地球运行１０８圈后，４月１日顺利降落。这次飞船上的应急救生系统已基本齐备。

第四步

“神舟四号”无人飞船于２００２年１２月３０日升空，于２００３年１月５日顺利返回地面。这次飞船里有两个穿宇航服的模拟（ｎǐ）人，是我国最后一艘无人试验的飞船。

第五步

在２００５年年底前，“神舟五号”飞船将实现载人飞行。目前，首批宇航员的宇航服已制好，航天员可以在太空中吃到鱼香肉丝等色香味都好的饭菜，喝上清爽的绿茶，可以在睡袋里舒服地睡觉，还可以塞上耳朵、戴上护目镜在航天浴室里洗澡呢！

本课小结：

整理课堂笔记，进一1、

知道第一宇宙速度是多少？能够自步回忆巩固所学知识。

己推导第一宇宙速度。

2、

知道第一宇宙速度是最小发射速

度，是围绕地球做圆周运动的最大

速度

3、

了解第二、三宇宙速度数值及意义。

4、

知道宇宙速度都是地表卫星的发射学生完成课后作业速度。

加深理解。

5、

了解世界航空航天发展史及中国航天事业发展概况，知道神舟载人飞船发射的重大意义。

布置作业

（1）请学生课后探讨课本第78页，“问题与练习”中的1~3题。

要求学生学会自我总结。

板书设计

一、第一宇宙速度

1、

第一宇宙速度，也叫环绕速度。

V1=7.9km/s 2、

第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。

3、

第一宇宙速度是围绕地球做圆周运动的最大速度。

二、第二宇宙速度，也脱离速度。

V2=11.2km/s 三、第三宇宙速度，也逃逸速度。

V3=16.7km/s 四、飞出地球、实现太空梦想

六

课后反思

宇宙速度是中学物理中的重要概念之一，尤其是第一宇宙速度既要能够要已知的知识推导其大小是多少，更要注意它是发射速度的最小值，是运行速度的最大值。学生对这一概念的理解不够深刻，这需要老师通巧妙的方法让学生正确理解发射速度与运行速度两个概念的关系。对于第二宇宙速度、第三宇宙速度只要求了解其大小及意义，而拓展的第二、三宇宙速度大小的推理过程只要求学有余力的同学去了解。

飞出地球是人类的梦想，学生通过这些内容的学习能够逐步了解中国甚至世界航天事业发展的概况，从而进一步让学生真正意义上理解科学的伟大意义。