第七章万有引力与航天
第五节宇宙航行
一、教学目标
1、知识与技能：
(1)了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。
(2)知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。
2、过程与方法：
(1)通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。
3、情感态度与价值观：
(1)通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。
(2)感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。
二、教学内容剖析
1、本节课的地位和作用：
本节内容主要介绍了宇宙速度、人造地球卫星、宇宙航天器等内容，人们在应用万有引力定律研究天体运动的基础上，实现人类的航天梦想，为科学研究、人类生活服务方面做出巨大的贡献。通过本节学习了解如下知识：
(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，V=GM / R或
V= . gR,数值上M=7.9km/s .
(2)第二宇宙速度：克服地球引力,脱离地球的逃逸速度.V2=11.2km/s.
(3)第三宇宙速度：在地面附近发射物体挣脱太阳引力束缚的速度,V3=11.2km/s.
2、本节课教学重点：
对第一宇宙速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。
3、本节课教学难点：
1、人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。
2、掌握有关人造卫星计算及计算过程中的一些代换。
三、教学思路与方法
这节内容是万有引力理论的成就在生活中的应用，与我们的生活密切相关，让学生在学习物理的过程中感受到物理就在我们的身边，与我们的生活时刻联系在一起. 从而引导学生进行科学和生活、和社会联系的思考，培养学生学习物理的兴趣，激发学生献身科学的热情，对学生科学价值观的形成起到重要的作用。
四、教学准备
多媒体课件，细线，塑料瓶
课堂教学设计
的呢？
师：牛顿设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹, 初速度越大，水平射程就越大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。
师：你思考这种设想可能么？
（学生思考）
生：可能，理由是当物体
的重力去充当圆周运动的
向心力的时候，物体可以成为卫星，不
过，这应该需要很大的速度。
近地卫星及第一宇宙速度
近地面的卫星的速度是多少呢？
已知：G 6.67 10 11N m2/kg2
R 6.37 106m
24
M 5.89 10 kg
,, GM 6.67 10 11 5.89 1024
V \―03770---------------------- m/s 7.9km/s
师：牛顿实验中，炮弹至
少要以多大的速度发射，
才能在地面附近绕地球做
匀速圆周运动？地球半径
为6370km
（生思考并计算）
生：在地面附近绕地球运
行，轨道半径即为地球半
径。由万有引力提供向心
力:
这就是人造地球卫星在地面附近
让学生
亲历知
识的导
出过程，
体验成
功的乐
趣是新
课程的
重要理
念?同
卫星离地心越远，它运行的速度
越慢。
绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，叫做第一宇
2
Mm Mv G亍卞
时让学
生自己
宙速度。
J GM y \~R 探究问题，可以激发
思考：我们能否发射一颗周期为得出发射速度小于学生的70min的卫星呢？7.9km/s。学习兴提示：同学们算算，近地卫星的师：对，如果发射速度小趣与动周期又是多少呢？于7.9km/s，炮弹将落到机，同T=2^R/v=5,07x 103s=S4.5min
地面，而不能成为一颗卫时也可不能！！星；发射速度等于以使他
7.9km/s，它将在地面附近们养成
作匀速圆周运动；要发射善于运
一颗半径大于地球半径的动知识
人造卫星，发射速度必须
大于7.9km/s。可见，向
咼轨道发射卫星比向低轨
道发射卫星要困难。
师：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，物
体的万有引力等于重力，
此力天空卫星做圆周运动
的向心力，能否从这一角
度来推导第一宇宙速度
的习惯
例题分析（双星问题）
①双星的向心力大小相同
②双星的角速度相同
师：思考地球同步卫星能
否位于北京正上方某一确
定高度h ？
生：所有的同步卫星只能
分布在赤道上方的一个确
定轨道上，而北京处在北
半球，故上空一定不可能
有同步卫星。
师：设地球质量M半径为
R,自转周期为T，同步卫
星质量m离地高度h，请
计算同步卫星离地面的高
度。
（学生计算）
生：由牛顿第二定律：
可见：同步卫星的离地高
度、线速度大小是唯一确
定的。代入具体数据可得
h 3580Ckm。
双星问题：
叫电仙
G（旳+
叫）
I?-g
h
）
R2
源。
近地卫星、同步卫星、月球三者
比较
G更罟_二旳甘& =叫后&
师：在天体运动中，将两颗彼此距离较近，且相互绕行的行星称为双星。已知两行星质量分别为M和M2,它们之间距离为L，求各自运转半径和角速度的关系怎样？向心力由什么提供。
生：本题中，双星之间有相互吸引力而保持距离不变，则这两行星一定绕着两物体连线上某点做匀速圆周运动，设该点为0, 如图所示，M0M始终在一条直线，M和M角速度相等，它们之间万有引力提供向心力。
解：设M离开0点的距离为R,则M离开0点的距离为L-R,它们绕0点转动的加速度均为3，则有
gr
视野拓展
宇宙航行
宇宙航行是以整个宇宙空间为活动环境的，因此，我们必须对宇宙环境有一定的了解，就像汽车司机要了解道路环境，登山运动员要了解山地环境，航海人员要了解海洋环境一样。
在人类进入太空以前，对人才环境只能进推测和理沦研究。与人类对飞天的向往一样，人们构想了美丽的“天堂”，便有“上有天堂，下有苏杭”的比喻。现在我们知道，如果“天堂”是指太空的话，就生存环境来说，那是极大的谬误。
自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。虽然随后有恒星向外辐射热能，但恒星的数量是有限的，而且其寿命也是有限的，所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经过100多亿年的历程，太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射）的研究证明，太空的平均温度为一270.3 C 在太空中，不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒
子，形成宇宙射线。例如，银河系有银河宇宙线辐射，太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射（太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子）和太阳风（由太阳日冕吹出的高能等离子体流）等。许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒了，形成辐射性很强的辐射带，如在地球的上空，就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射环境。—宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氢和氦两种元素，其中氢占3/4，氦占1/4。后来它们大多数逐渐凝聚成团，形成星系和恒星。恒星中心的氢和氨递次发生核聚变，生成氧、氮、碳等较重的元素。在恒星死亡时，剩下的大部分氢和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中主要的仍然是氢，但非常稀薄，每立方厘米只有0」个氢原于，在星际分了云中稍多一此，每立方厘米约1万个左右。我们知道，在地
球大气层中，每立方厘米含有1010个氮和氧分子。由此可见，太空是一个高真空环
境。