4. 人造卫星 宇宙速度名师课堂实录

【教学设计】

6.5《宇宙航行》

一、教材分析

《宇宙航行》系新课程人教版必修2第六章第五节，重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度。人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。

二、教学目标

（一）

知识与技能

（1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因；

（2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；

（3）简单了解航天发展史。

（4）能用所学知识求解卫星基本问题。

（二）过程与方法

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（1）培养学生科学探索能力；

（2）培养学生在处理实际问题时，如何

构建物理模型的能力；

（3）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。

（三）情感态度与价值观

介绍我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。

课时安排：两课时

教

具：多媒体课件

三、教学重点难点

（1）第一宇宙速度的推导；

（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；

（3）卫星做圆周运动时，各物理量的关系。

四、学情分析

从学生年龄特征来看，学生处于高一年级，17岁已经对本节知识有一定的接受能力，但比较起成年人来还不及，尤其是对知识体系条理性掌握，对易混淆知识的辨别能力还欠缺。从学生的知识基础来看，本节与第六章息息相关，不同水平的学生学起来认知程度不一样。从认知特点及思维规律来看，学生容易接收表象、浅显的知识，不易接收推理性强、易混淆的知识。

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五、教学方法

启发探究式教学、多媒体辅助教学。

六、课前准备

1．学生的学习准备：预习人造卫星的发射、第一宇宙速度的计算。

2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案。

七、课时安排：1课时

八、教学过程

（一）引入新课

师：司机开车去陌生的地方不担心迷路，为什么？

生：有导航。

师：导航系统要想实现精准定位，全都依赖同步通讯卫星。你知道卫星是怎样发射出去的吗？今天我们来学习《宇宙航行》

（二）探究第一宇宙速度

1.引导猜想 思考1：抛出的小物体会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星、月亮没有落下来必须具备什么条件？

思考2：将一个小物体从同一位置水平抛出，怎样抛得更远？

思考3：如果水平初速度足够大将会怎样？

2.牛顿的思考与设想：

△抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？

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△牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。

△牛顿的设想由于受技术条件的限制，物体不可能达到这样的速度，但他的思想启发了后人，在太空探索中立了头功。

△动画展示牛顿的设想过程。

引出人造地球卫星（简称人造卫星）的概念。

3、请同学们计算：已知地球半径R=6400km，地球质量M6.01024kg，卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所必须的速度是多少？

（提示：卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由谁来提供？万有引力=向心力）

思考：如果知道地球表面的重力加速度g和地球半径R，如何求上面这个速度？（方法二：利用重力=万有引力）

两种方法求出的结果都一样，这个速度的含义是什么？

(生1：要想使物体不会到地面至少以这个速度发射出去) 追问：以这个速度发射出去，它将以多大的速度绕地球做匀速圆周运动呢？

（生2：还是以这个速度）

利用这样的教学设计，力求真正的体现学生的主体地位和老师的主导作用。强调学生自己探究、自行分析的能力，得出结论：

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也就是说，这个速度是最小发射速度，还是近地环绕速度，v=7.9km/s卫星可以在近地轨道运行，如果在高空轨道运行，它的运行速度比7.9km/s大还是小？我们判断的依据是？

第一宇宙速度的含义：最小发射速度、近地环绕速度、最大运行速度

4、推导：人造地球卫星线速度、角速度、周期分别与轨道半径什么关系？

GMmv2GMm

由此解出

v2rrr学生证实了刚才的猜测，在这一基础上，让同学们自己研究ω

、T 和半径r的关系，每位同学都能找到：

GM，随着半径增大，ω减小

3rr3，随着半径增大，T变大

T2GM总结：高轨低速长周期

这些结论都是由学生在学习小组中探究得到，学生的自信心得到极大的满足，更主要使他们从被动接受变为主动索取，使学生乐学，好学。

（三）第二宇宙速度和第三宇宙速度

学生思考：

（1）将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？

（2）所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？

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（3）发射速度和卫星绕地的速度是不是同一速度？

从能的角度，圆周运动的公式引导学生分析二者的不同。

学生思考：

我们刚研究过，当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，卫星发射时越难，送入轨道需要消耗的能量越多，发射的速度必须越大，由此我们可以得出要将人造卫星送入轨道的发射速度必须大于多少？学生分析得出v≥7.9km/s 引导：发射速度越大，人造卫星就进入更高的轨道，当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运动我们把这个速度叫第二宇宙速度，它的大小为v2=11.2km/s。

同时分析飞到太阳系以外的宇宙空间，速度必须等于或大于16.7km/s，这个速度叫第三宇宙速度。

（四）梦想成真

到现在为止，宇宙航行不再是梦想而成为了现实，让我们来了解这一段航天发展史。

首先是俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基真正为人类迈向太空提供科学思想。在他的思想指引下，1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入东方一号载人飞船。中国发射的第一颗卫星：东方红一号卫星，是中国发射的第一颗人造地球卫星，由以钱学森为首任院长的中国空间技术研究院自行研制，于1970年4月24日21时35分发射。

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2003年10月神舟五号发射成功，标志着中国成为第三个能够独立开展载人航天活动的国家。截至2017年中国总共发射了有187颗卫星，包括国产卫星，飞船及国外卫星。

我们来看一段视频（美国哥伦比亚号失事），探索真理的道路从来都是曲折的，很多的科学的工作者和航天工作者为之付出了艰辛的努力，甚至是生命的代价，2003年，美国“哥伦比亚号”七名宇航员全部遇难，让我们对为人类进步事业做出贡献的人们表示敬意！

让同学感想到：我们是祖国的未来的希望，现在需要努力学习科学文化知识，将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、勇于探索、协力合作的科学精神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑科学态度；也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情感；努力学习、振兴中华的责任感。这些策略在本案例中得到了体现。

（五）练习反馈，拓展延伸：

［例题1］已知地球的第一宇宙速度约为8km/s，月球质量是地球质量的1/81，月球半径约为地球半径的1/4，则“月球卫星”的最大运行速度是多少？

［例题2］“2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把我国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。”根据以上消息，近似地把飞船从发射到降落的全部运动看作绕地球的匀速圆周运动，试估算神舟五号绕地球飞行时距地面的

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高度（已知地球的质量为M

=6.0×1024Kg，地球的半径

R

=6.4×103Km）。(约6700Km)

1、学生独立思考，计算周期T的大小并推导出高度与地球质量、半径、周期等物理量之间的关系公式，代入相关数据进行计算得到结果。

2、教师检查，然后师生共同评价、指出问题。使学生学以致用，掌握正确的解题思路和方法。

［例题3］金星的半径是地球的0.95倍，质量是地球的0.82倍，金星表面的自由落体加速度是多大？金星的第一宇宙速度是多大？

(8.9m/s2;7.34Km/s)

1、教师点拨引导学生通过联想得出解题的两种方法，将计算结果与正确结果进行比较。 2、拓展：将天体运动的椭圆轨道近似为圆。所有环绕中心天体做圆周运动所需向心力，均由中心天体的万有引力提供。 （六）小结与作业布置

1．阅读教科书上P76的科学漫步“黑洞”

2．上网查阅：（1）

人造卫星的种类（2）

同步卫星的含义及特点

（七）发导学案、布置预习。

我们已经学习了有关航空航天的基本知识，但经典力学（以牛顿力学为基石）没有穷尽一切真理，下一节课我们将要学习《6.6 经典力学的局限性》，同学们课下预习一下导学案，并上网查询相关的资料。

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九、板书设计

6.5

宇宙航行

一、宇宙速度

：第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度

二、人造地球卫星

十、教学反思

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。

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