1、1第五节 宇宙航行课 时：一课时 教 师： 教学重点会推导第一宇宙速度，了解第二、第三宇宙速度教学难点运行速率与轨道半径之间的关系三维目标知识与技能1了解人造卫星的有关知识2知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度3通过实例，了解人类对太空的探索历程过程与方法1能通过航天事业的发展史说明物理学的发展对于自然科学的促进作用2通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力情感态度与价值观1通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义的教育2关心国内外航空航天事业的发展现状与趋势，有将科学技术服务于人类的意识教 学 过 程导入新课 Error!万有引力定律的发现，不仅解决了天上行
2、星的运行问题，也为人们开辟了上天的理论之路现代火箭航天技术先驱、俄国科学家齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮，人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间 ”1957 年 10 月 4 日，前苏联用三级火箭发射了世界上第一颗人造地球卫星“旅行者 1 号” ，人类开始迈入航天时代2003 年 10 月 15 日， “神舟五号”飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，这标志着我国进入了载人航天时代那么，多大的速度才能使物体不再落回地面，而使其成为地球的一颗卫星呢？学习本节内容之后便可解决上述问题了推进新课一、宇宙速度 问题探究： 1、在地面抛出的物体为什么要落回地面？ 2、月球
3、也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？3、平抛物体的速度逐渐增大，物体的落地点如何变化？速度达到一定值后，物体还能否落回地面？若不能，此速度必须满足什么条件？若此速度再增大，又会出现什么现象？ 4、什么叫人造地球卫星？ 组织学生讨论、交流，大胆猜测结论：1.平抛物体的速度逐渐增大，物体的落地点逐渐变大2速度达到一定值后，物体将不再落回地面3物体不落回地面时环绕地球做圆周运动，所受地球的引力恰好用来提供向心力，满2足 v .GMmr2 mv2r GMr4若此速度再增大，物体不落回地面，也不再做匀速圆周运动，万有引力不能提供所需要的向心力，从而做离心运动，轨道为椭圆轨道Error!教
4、师引导学生共同探究出：1人造卫星：物体绕地球做圆周运动时，此物体成为地球的卫星2卫星轨道：可以是圆轨道，也可以是椭圆轨道卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律3卫星的种类：卫星主要有侦察卫星、通讯卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类4卫星的运行：卫星在轨道上运行时，卫星的轨道可
5、视为圆形，这样卫星受到的万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力1）教材在推导卫星的运动速度的时候，选取的卫星轨道的形状是什么？卫星的所有轨道都是这种形状吗？2）人造卫星做圆周运动时向心力从何而来？卫星环绕地球运转的动力学方程是什么？3）请关闭书本后推导出卫星做圆周运动的速度表达式4）如果卫星绕地球做匀速圆周运动而不落回地面，它的速度大小与卫星离开地面的高度的关系是怎样的？能否根据这个关系得出结论，将卫星发射得越高越容易？为什么？5）卫星绕地球运转的最小半径是多少？6）在地面附近的物体要成为卫星而不落回地面，必须给它至少以多大的速度才行？这个速度是怎样计算出来的？ 人造卫星的运动规律： 设卫星的轨
6、道半径为 r，线速度大小为 v，角速度为 ，周期为 T，向心加速度为 a.根据万有引力定律与牛顿第二定律得G ma m mr 2 mrMmr2 v2r 4 2T2所以，卫星运行速度、角速度、周期和半径的关系分别为：v ， ， T .GMr GMr3 4 r3GM问题讨论：1、能不能发射这样的地球卫星，它绕地球的轨道平面不经过地球的球心？为什么？2、人造卫星的轨道平面有何特点？你知道为什么吗？3、为什么实际的卫星轨道只能大气层外？地球同步卫星的含义是什么？4、为什么地球同步卫星轨道平面一定和地球的赤道平面重合？ 关于地球同步卫星对同步卫星有什么要求？周期 T、轨道面、半径 r、运行速度 V、绕行
7、方向3地球同步卫星如果人造地球卫星的周期与地球自转周期相同，转动方向也相同，从地面观察这种卫星好像静止在空中一样，这就是地球同步卫星。特点：1、定周期：即运行周期 T 等于地球自转周期(24h) 2、定轨道平面：即运行平面在赤道平面内；3、定高度：即离地面高度 h 一定(h=3.610 4km) 4、定速率：V(3.1km/s) 5、定点：赤道上方相对地面静止1.第一宇宙速度：人造卫星近地环绕速度，是人造地球卫星的最小发射速度， v17.9 km/s. 人造卫星第一宇宙速度的推导：由 v ，应用近地条件 r R(R 为地球半径)， R6 400 GMrkm，代入地球质量 M610 24 kg，
8、得 v 7.9 km/s.GMR第一宇宙速度的另一种推导：在地面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力(地球半径R、地面重力加速度 g 已知)由 mg m 得 v m/s7.9 km/s.v2R gR 9.86 400103第二宇宙速度：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运行的人造卫星或飞到其他行星上去所必须达到的最小发射速度 v211.2 km/s. 人造行星第三宇宙速度：在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度 v316.7 km/s. 人造恒星二、梦想成真1883 年，俄国学者齐奥尔科夫斯基提出使用
9、火箭发射宇宙飞船的设想。神舟六号载人航天飞行圆满成功问题(课件展示)：1是谁真正为人类迈向太空提供了科学思想？2世界上第一颗人造地球卫星是哪个国家发射的？3最先登上月球的是哪国人？4中国载人航天工程是哪一年正式启动的？5中国第一个被送入太空的航天员是谁？学生阅读课文“梦想成真”这一部分，回答上述问题明确：1.俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基2苏联 3.美国人41992 年 5.杨利伟点评：通过阅读课文，解决问题感知人类探索宇宙的梦想，激发学生运用知识解决问题的能力，促使学生树立献身科学的人生观、价值观例 1 在圆轨道上质量为 m 的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球半径 R，地面上的重力加速度为 g
10、，则( )A卫星运行的速度为 2gR4B卫星运行的周期为 42RgC卫星的加速度为 g12D卫星的动能为 mgR14解析：万有引力充当向心力，有 G mMm R R 2 v22R又 gGMR2故 v ，A 错 T 4 ，B 对GM2R gR2 2 2Rv 4 R2gR 2Rga ，C 错 Ek mv2 m ，D 对v2r v22R g4 12 12gR2 mgR4答案：BD总结：卫星问题的求解，应知道万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力地球表面的重力加速度 g ，当 M 未知时，可用其代换由于 g 经常用到，所以叫“黄金公式”GMR2 GMR2点评：运用现代教育信息技术，把人类第一颗卫星发射场
11、景，我国卫星发射、回收等有关资料片段重现在学生面前，给学生大量的生动的直观感受，使学生的思维在直观情景中由感性具体上升到思维抽象，准确地得到人造卫星的概念Error!1、有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比r1 r241，求这两颗卫星的：(1)线速度之比；(2)角速度之比；(3)周期之比；(4)向心加速度之比参考答案：解答：(1)由 G mMmr2 v2r得 vGMr所以 v1 v212.(2)由 G m 2rMmr2得 GMr3所以 1 218.(3)由 T2得 T1 T281.(4)由 G maMmr2得 a1 a2116.2、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“
12、嫦娥 1 号” 设该卫星的轨道是圆形的，且贴5近月球表面已知月球的质量约为地球质量的 ，月球的半径约为地球半径的 ，地球上的181 14第一宇宙速度约为 7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为( )A0.4 km/s B1.8 km/s C11 km/s D36 km/s解析：对于环绕地球或月球的人造卫星，其所受万有引力提供它们做圆周运动所需向心力，即G mMmr2 v2r所以 vGMr第一宇宙速度指的是最小发射速度，同时也是近地卫星环绕速度，对于近地卫星来说，其轨道半径近似等于地球半径所以 v月v地 M月M地 r地r月 481 29所以 v 月 v 地 7.9 km/s1.8 km
13、/s.29 29答案：B近地卫星、 同步卫星、月球三者 比较 讨论:1、做圆周运动的物体什么情况下做离心运动？什么情况下做近心运动？2、卫星要想从低轨道到高轨道或从高轨道到低轨道你认为怎么办？3、同一轨道上的卫星后一个想追上前面一个怎么办？练习 1：如图所示 a 为正在绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船，宇航员发现在飞船的后面与飞船在同一轨道上有一块陨石 b，为了避免二者相碰，宇航员采取的措施与对应的结果正确的有（ C ）A、使飞船减速，它就能到更高的轨道上，避开陨石。B、使飞船加速，它就能到较 低的轨道上，避开陨石。C、即使不采取任何措施，陨石 也不会与飞船相碰。D、应该发射导弹将陨石击碎才能避
14、免相碰练习 2、航天飞机中的物体处于失重状态，是指这个物 体（ C ）A、不受地球的吸引力； B、地球吸引力和向心力平衡；C、对支持它的物体的压力为零； D、受地球的吸引力减小了。课堂小结1知识小结万有引力定律和向心力公式相结合，可以推导出卫星绕行的线速度、角速度、周期和半径的关系，记住三种宇宙速度的数值，结合航天知识可以进行实际的计算同步卫星是众多卫星当中较特殊的一种，认识它的特点和规律，可以用来求解很多题目2规律方法总结6(1)万有引力定律应用于卫星问题，是牛顿第二定律在天体运行中的具体应用把握好万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动及其他力学知识的综合，是解答本节问题的关键(2)公式 G mg 中的 g 是与 r(即轨道半径)有关的量，而不是一个定值，只是在地球Mmr2表面附近时， g 的变化很小，在处理自由落体运动时，为了简化问题，把 g 作为定值处理了布置作业1阅读教材的科学漫步栏目黑洞2上网查阅：(1)人造卫星的种类(2)同步卫星的含义及特点板 书 设 计5 宇宙航行宇宙航行Error!
