4. 人造卫星 宇宙速度教学设计及教案分析

科目：物理

班级：高一15

授课教师：朱玉柱

【课题】宇宙航行

【教学内容分析】

在万有引力的学习基础下，逐渐揭开的宇宙中天体运动的秘密，星体的运动依靠万有引力提供圆周运动的向心力。卫星的发射与环绕都与此有关，本节就是对此进行分析。

【教学对象分析】

学生圆周运动的掌握不是太牢固，对于万有引力的公式应用还不是太熟练。

【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)人造卫星的运动规律。

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。

【教学重点】

第一宇宙速度的推导、卫星运动规律。

【学生学习难度预测】

对第一宇宙的推导，对于发射速度和环绕速度易搞混淆。

【教学策略设计(教学模式)】

讲练结合、视频展示

【教学用具】

教学平台

【教学过程设计】

教学环节和教学内容

引入新课：观看视频

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”教师活动

学生活动

设计意图

让学生真正感受科学

1 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，所谓的“水引导学生理（球体）平位移”实际上就变解牛顿猜想

成了“弧长”，如果速度再增加，“弧长”将

等于“周长”即物体

问题：牛顿思想的基础是什么？

围绕地球作圆周运

动。

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）则卫星在轨道上的运行速度是多少？

学生解答：

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。

Mmv2G2m

rr卫星运行速度

v

学GM

r

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。

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）

生回答：v2mgm

rvgr=7.9km/s

卫星运行速度

Mmv2G2mrr

求解第一宇宙速度大小，并提出证明方法

学生思考：速度只有达到7.9km/s才能成为卫星

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。

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”。

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？

GMvr

强调：第一宇宙速度是发射速度中的最小值。

学生了解：第二宇宙速度和第三宇宙速度的意义

第二、三宇宙速度作定性的了解，知道其物理意义。

2

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。强调其是发射的最小速度

讲解第二宇宙速度

讨论总结

让学生能够区分发射速度和运行速度

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。

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。

区分发射速度和运行速度：

确定运行速度的范围为V运行≤7.9Km/s发射速度的范围为

7.9Km/s ≤

V发射＜11.2Km/s。

课堂练习1：2008年9月25日，我国成功发射了搭载3名宇航员的“神舟”七号飞船，在飞船进入圆形轨道环绕地球飞行时，它的线速度大小

A.等于7.9 km/s

B.介于7.9 km/s和11.2 km/s之间C.小于7.9 km/s

D.介于7.9 km/s和16.7 km/s之间

课堂练习2：

某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体,经时间t物体以速率v落回手中.已知该星球的半径为R,求该星球上的第一宇宙速度.

四．人造地球卫星的运行轨道

所有卫星圆周运动的圆心和地球的地心重合。

讲解第三宇宙速度

引导学生讨论，总结规律

讲解点评

公式的灵活应用

解答问题

对卫星有个全

面的了解，重点

分析同步卫星

思考回答并总结特点

处理宇宙航行

中的实际问题

分析问题

讨论问题

解决问题

3

给学生一些轨道猜测

讨论：地球同步卫星的特点其r、

v、ω、T 均为定值

五、卫星变轨：

升轨：

加速

到达高轨道后速度小于低轨道

降轨：

减速

到达低轨道后速度大于高轨道

课堂练习5：宇宙飞船和空间站在同一轨道上运行，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上空间站，可以采取的方法是A.飞船加速直到追上空间站，完成对接B.飞船从原轨道减速至一个较低轨道，再加速追上空间站完成对接C.飞船加速至一个较高轨道再减速追上空间站完成对接D.无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接

提出问题：如何变轨

【教学反思】

本节课能始终以学生为主体精心设计学习活动，充分利用网络资源创设教学情境，调动学生的学习兴趣，及时把握时机，提问启发诱导点拨，激励学生积极参与，大胆猜想，合作交流，探索研究，经历体验了牛顿研究人造卫星发射原理的“再发现”过程，引导学生自主推导了第一宇宙速度，并了解三种宇宙速度的含义。关于卫星的运动规律也大胆的教给学生探讨，在教师的层层设问中，学生自己分析体会人造卫星的运行特点。

4