《4宇宙航行》设计

《4.宇宙航行》教学设计教学目标与核心素养教学目标1.通过阅读课本资料了解牛顿对人造卫星的猜想、外推的思路和思想，能写出第一宇宙速度的推导过程。2.通过第一宇宙速度的推导总结，能说出人造地球卫星的原理及运行规律。3.通过阅读教材，能够介绍世界和我国航天事业的发展历史，感知人类探索宇宙的梦想，激发爱国热情，增强民族自信心和自豪感。核心素养物理观念：能从物理学的视角正确描述和解释人造地球卫星的运行规律，具备清晰的物理观念。科学思维：能在熟悉的情境中运用物理模型，能对卫星发射原理进行分析和推理。科学探究：能在对卫星发射原理的基础上做出假设，并制定合理的探究路线，从而分析数据发现规律。科学态度与责任：卫星的发射原理是人类在万有引力定律基础上科学家们持续不断创造性发展的成果，是人类对宇宙奥秘探索的历程，增强民族自信心和自豪感。教学重点第一宇宙速度的推导。教学难点第一宇宙速度的推导；环绕速度与发射速度的区分。教学过程导入出示视频：神六的发射过程教师讲解：我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不同种类的卫星。掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术，99年发射了“神舟”号试验飞船。这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。一、牛顿的设想出示图片：牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿设想：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；抛出速度足够大时，物体就不会落回地面，成为人造地球卫星。出示动画：抛出速度足够大时，物体就不会落回地面二、宇宙速度思考讨论：地球上的物体，发射的速度至少有多大才能离开地球进行宇宙航行呢？物体在地球附近绕地球运动时，太阳的作用可以忽略。只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。用万有引力定律就可求解。例1：当卫星在地面附近绕地球运行时，轨道半径为r，地球的质量为m地，物体的质量为m。（1）请推导卫星绕地球运行时v的表达式。（2）已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2，地球质量M=5.89×1024kg，地球半径R=6400km＝6.4×106m，求卫星绕地球运行时速度v的大小是多少？解：万有引力提供物体作圆周运动的向心力。由此解出：近地卫星在100〜200km的高度飞行，远小于地球半径（6400km），可以近似用地球半径R代替卫星到地心的距离r。=7.9km/s1.第一宇宙速度（1）定义：物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫作第一宇宙速度。v=7.9km/s（2）人造卫星的发射速度与环绕速度①发射速度：指被发射物体离开地面时的速度。②环绕速度：指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度。（3）对第一宇宙速度的理解①第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，发射速度低于它，卫星将落回地面而不能绕地球运转。②第一宇宙速度也是卫星刚好能在地球表面附近绕地球作匀速圆周运动的最大环绕速度。③由知，卫星轨道半径为r越大，v环绕越小，但需要的发射速度v发射越大。思考讨论：有人说，第一宇宙速度也可用（式中g为重力加速度，R为地球半径）算出，你认为正确吗？参考答案：正确，因为在地面附近重力近似等于万有引力即重力提供物体作圆周运动的向心力由此解出：思考：由知高轨道上运行的卫星，线速度小，能否说向高轨道发射卫星比向低轨道要容易呢？参考答案：不能这样说。这是因为如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。（4）第一宇宙速度意义第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。在地面附近发射飞行器，如果速度等于7.9km/s，这一飞行器只能围绕地球做圆周运动，还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。思考：若卫星的发射速度大于7.9km/s，会出现什么情况？若卫星的发射速度大于7.9km/s，绕地球运动的轨迹不再是圆，而是椭圆，发射速度越大，椭圆轨道越“扁”。当飞行器的发射速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。2.第二宇宙速度大小：v=11.2km/s。（1）当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2km/s叫作第二宇宙速度。（2）意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。注意：达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳对它的引力。3.第三宇宙速度大小：v=16.7km/s（1）当物体的速度等于或大于16.7km/s时，物体可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间。我们把16.7km/s叫做第三宇宙速度。（2）意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。（3）注意：发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。思考：你能推导出卫星运行时，其an、v、ω、T，分别与其轨道半径r的关系吗？（1）解得r越大，an越小（2）解得r越大，v越小（3）解得r越大，ω越小（4）解得r越大，T越大三、人造地球卫星牛顿虽然早就预言了人造地球卫星，但因发射需达到很大的速度，所以直到多级火箭的研制成功，才为人造地球卫星的发射创造了条件。出示图片：第一颗人造地球卫星1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。开创了人类航天时代的新纪元。1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，开创了中国航天史的新纪元。出示图片：东方红1号人造地球卫星出示图片：科学家钱学森科学家钱学森被誉为“中国航天之父”为我国航天事业作出特殊贡献。出示图片：地球上卫星目前在轨有效运行的卫星有上千颗，其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活。1.地球同步卫星地球同步卫星位于赤道上方高度约36000km处，因相对地面静止，也称静止卫星。2.特点周期一定：T=24h=86400s；角速度一定：相对于地面静止。轨道一定：同步卫星轨道必须在赤道上空；高度一定：高度约36000km；速率一定；加速度一定。注意：月球不是地球的同步卫星。四、载人航天与太空探索出示图片：苏联航天员加加林1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类进入太空的梦想。出示图片：阿波罗11号飞船登月1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。7月20日下午10时56分，指挥长阿姆斯特朗踏上月面并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。出示图片：人类在月球上留下了自己的足迹。我国的航天成就出示图片：我国第一颗人造卫星1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空。出示图片：嫦娥一号2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功。出示图片：嫦娥二号2010年10月1日嫦娥二号顺利发射出示图片：嫦娥三号2013年12月2日嫦娥三号探测器进入太空出示图片：神舟五号2003年10月15日神舟五号中国第一位航天员杨利伟出示图片：神舟六号2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜出示图片：神舟七号2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明景海鹏。出示图片：神舟九号2012年6月16日神舟九号景海鹏刘洋刘旺出示图片：神舟十号2013年6月11日神舟十号发射成功出示图片：聂海胜张晓光王亚平除了载人航天工程，我国还在许多方面进行着太空探索。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接；2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。STSE航天事业改变着人类的生活阅读课文了解航天事业对人类的生活有哪些改变。20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这一全新活动领域。通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻，已经成了人们生活的一部分，电视台天气预报节目中的卫星云图已使我们充分感受到气象卫星的威力。卫星对地观测技术将对我国西部开发的整体规划和监控发挥重要作