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第3节飞向太空本节教材分析三维目标1．知识与技能(1)了解火箭的基本原理．(2)了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献.(3)了解人类在航天技术领域取得的伟大成就.2．过程与方法(1)通过观察实验，了解火箭发射的原理.(2)认识火箭的演变过程．(3)了解多级火箭的发射过程．(4)通过观察图片和录像，了解人类对太空的探索.3．情感、态度与价值观(1)体会理论对实践的巨大指导作用．(2)体会航天事业对人类所产生的影响.(3)认识太空探险是一项光荣而危险的任务.(4)通过观看录像，激发爱国之情和为祖国的科学事业做贡献的决心.教学重点天体运动的向心力是由万有引力提供的，这一思路是本节课的重点。
教学难点第一宇宙速度是卫星发射的最小速度，是卫星运行的最大速度，它们的统一是本节课的难点。
教学建议建议教师先引导学生学习人造地球卫星的发射原理，推导第一宇宙速度，应使学生确切地理解，第一宇宙速度是卫星轨道半径等于地球半径时，即卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动的速度.当轨道半径r大于地球半径时，卫星绕地球做匀速圆周运动的速度变小.在实际教学时，学生常根据课本所描述的情况得出离地球表面越高的地方，其运行速度越大的错误结论，对此可向学生说明：卫星在椭圆轨道上运行时，它在各点的速度大小是不同的，在近地点速度最大，以后逐渐减小，在远地点速度最小.虽然公式GM只适用于描述做匀速圆周运动的卫星，但是由椭圆轨道上卫星的运行情况，也可以大致印证当r v=r变大时，v变小.新课导入设计导入一复习提问：解决天体运动的两条思路是什么?①万有引力作为其做圆周运动的向心力。
板书：F万=F向②在地球表面的物体重力近似等于万有引力。
引课提问：我们在看电视实况转播时总听到解说员讲：电视机前的观众朋友们：我们正在通过太平洋上空或印度洋上空的通讯卫星转播电视实况，那么卫星是如何发射出去的？人造卫星的运行速率与其轨道半径有何关系？导入二问：在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？学生：它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远.因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远.教师：假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？高考理综物理模拟试卷注意事项：1. 答题前，考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚，将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。
3.3 飞向太空学案2（粤教版必修2）【学习目标】知识与技能1、了解火箭的基本原理。
2、了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献。
3、了解人类在航天技术领域取得的伟大成就。
过程与方法1、通过观察实验，了解火箭发射的原理。
2、认识火箭的演变过程。
3、了解多级火箭的发射过程。
4、通过观看图片和录像，了解人类对太空的探索。
情感态度与价值观1、体会理论对实践的巨大指导作用。
2、体会航天事业对人类所产生的影响。
3、认识太空探险是一项光荣而危险的任务。
4、通过观看录像，激发爱国之情和为祖国的科学事业作贡献的决心。
【学习重点】介绍各国在航天航空领域的成就。
【知识要点】1、人类冲出地球，飞向太空的关键是要获得巨大的速度。
2、要获得足够的速度，首先需要有性能优良的火箭。
火箭是利用反冲原理前进的。
我国是火箭的故乡，但是现代火箭却是俄国和德国的科学家发明研制的。
现代火箭通常是三级火箭，每一级燃烧完后自动脱落，三级燃烧并脱落后可以使运载物获得足够德速度。
火箭通常使垂直发射，到一定高度后变轨，把运载物送入预定轨道。
3、目前人类探测太空的方式有：发射人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间实验站、无人空间探测器以及派宇航员登陆其它星球。
4、开发太空，有着巨大的社会经济意义。
比如，开采其它星球上的矿藏资源、在太空中进行地球上无法进行的实验、利用太空环境制造地球环境中无法生产的某些物质、甚至移民其它星球等。
【问题探究】问题1 发射人造卫星探索宇宙奥秘，目前成为人类频繁的探索太空的活动，同学们肯定亲眼观看过2003年10月15日我国首次载人航天飞船于火箭送入太空那精彩的一幕。
请同学们根据对发射过程的观察和自己的认识，谈谈火箭为什么有那么大的威力使如此笨重的火箭和航天器获得如此巨大的速度进入太空预定的轨道的。
探究思路：可以根据牛顿第三定律，即火箭在喷出高压和高速燃气的同时，由于空气对火箭的反作用，从而使火箭获得向前的动力等。
请同学们继续思考，假如火箭或飞行器到了无空气的太空，飞行器又是靠什么实现变轨的。
飞向太空【学习目标】1．了解火箭的基本原理和主要结构。
2．了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献。
3．了解人类在航天技术领域取得的伟大成就。
【学习重难点】1．让学生感受到，人类活动对地球的严重破坏，产生强烈的环境保护意识。
2．运用万有引力定律与圆周运动等知识，解决飞向太空的问题。
3．将理论模型的应用到实际中的能力与方法【学习过程】一、要点精讲1．火箭是飞向太空的桥梁，人们利用多级火箭将人造卫星发送到预定的轨道。
2．2003年10月15日，我国首次载人航天飞行取得圆满成功，标志着中国人千年的“嫦娥奔月”的梦想即将变为现实。
二、典型题解析[例1] 可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道( )（1）与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面的同心圆（2）与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面的同心圆（3）与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是静止的（4）与地球表面上的赤道线是共面同心圆，但卫星相对地球表面是运动的A.（1）（2） B．（3）（4） C．（2）（3） D．（1）（4）[解析]人造卫星的轨道有一个特点，其轨道的圆心应和地球的中心相重合。
同时，我们把在赤道上空运行的卫星称为赤道轨道卫星；把通过地球两极的卫星叫做极地卫星；把其他轨道卫星叫做一般轨道卫星。
（1）中的卫星其圆心不能和地心重合，故不可能；（2）中卫星由于地球的自转，所以卫星轨道不可能和经度线重合；（3）中所述卫星为同步卫星；（4）中所述卫星为赤道轨道的非同步卫星。
[说明]所有卫星的轨道只要满足一点就行，即轨迹中心和地心重合。
[例2] 发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆周轨道上然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3．轨道1．2相切于Q点，轨道2．3相切于P点（如图所示），则当卫星分别在1．2．3轨道上正常运行时，以下说法正确的是（）A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点的加速度D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点的加速度三、基础演练与综合应用1．一颗人造地球卫星以初速度v发射后，可绕地球做匀速圆周运动，若使发射速度为2v，则该卫星可能 ( )A．绕地球做匀速圆周运动B．绕地球运动，轨道变为椭圆C．不绕地球运动，成为太阳系的人造卫星D．挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以处的宇3．2001年12月7号，美国奋进号航天飞机与国际空间站地接，为空间站送去了新太空探险队和两吨多的生活用品，以及各种新器件和科学实验设备。
飞向太空-课文知识点解析计算天体的质量 讨论与交流我计算的基本思路：根据月球运动情况求出月球的向心加速度，而向心力是由万有引力提供的，这样，列出方程即可求得地球的质量. 我的计算过程和结果：假设m ′为地球质量，m 是月球质量，那么月球做匀速圆周运动所需的向心力为F=mr ω2=mr （T π2）2而月球运动的向心力是由万有引力提供的 所以G 2r m m =mr （T π2）2由此可以解出m ′=222π4GT r代入数据得，地球质量m ′=5.89×1024 kg 由此得出计算天体质量的方法是：（1）明确围绕中心天体（行星或恒星）运动的卫星（或行星）的运动状态.（2）确定其向心加速度的大小. （3）然后根据万有引力提供向心力，应用牛顿第二定律列出动力学方程. （4）解方程可求中心天体的质量. 理论的威力：预测未知天体1781年，英国天文学家威廉·赫歇耳发现了天王星，其实这颗星体很早已在当时天文学家的观测、研究之中，只是过去认为它是一颗恒星.1821年，法国经度局要编制木星、土星和天王星的星历表，编制者利用建立在万有引力定律基础上的大行星摄动理论来计算这3颗行星的位置和轨道时，发现木星与土星的理论计算与实际观测符合得很好，而天王星则很不理想.按1781年以前的观测资料计算的轨道与按1781年以后观测资料计算的轨道完全是两个不同的椭圆轨道.是1781年以前的观测资料不准确，还是存在一个大行星的摄动，使天王星改变了运动的轨道呢？时过不久，1830年以后天王星星历表上计算出来的位置又与观测实际误差达20″，并且误差越来越大，到1845年，误差竟达到2′之多.当时大多数天文学家并不怀疑观测资料的准确性，而认为存在一颗行星，它影响着天王星的运行轨道.但也有一些天文学家，则怀疑大行星摄动理论的正确性，这一理论的基础是万有引力定律.然而，有两位年轻的天文学家则坚信万有引力定律是正确的，一位是英国的亚当斯，另一位是法国的勒威耶，他们认为天王星运动与利用万有引力定律计算的结果不相符合，一定是天王星外面还有一个大行星在影响着天王星的运动.要证明这个猜想的正确，就必须把未露面的行星找出来.1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯（1819~1892）首先从理论上得出了结果，随后法国天文学家勒威耶（1811~1877）也计算出来了.人们根据他们的预报果然观察到这颗新行星，命名为“海王星”.当1846年勒威耶和亚当斯发现海王星以后不久，从1850年开始，一些天思维拓展应用万有引力定律可以计算天体的质量，其基本方法是：首先对围绕中心天体（行星或恒星）运动的卫星（或行星）的运动状态进行分析，通常卫星（或行星）围绕天体的运动可以近似看作匀速圆周运动.先用已知的运动学参量确定其向心加速度的大小，实际上人们是靠测定卫星（或行星）的轨道半径和周期来获得它们的向心加速度，然后根据万有引力提供了卫星（或行星）绕中心天体做匀速圆周运动所需要的向心力，应用牛顿第二定律列出卫星（或行星）的动力学方程，就可以求出中心天体（行星或太阳）的质量. 全析提示海王星和冥王星的发现进一步证明了万有引力定律的正确，而且也显示了万有引力定律对天文学研究的重大意义，海王星和冥王星的发现是理论指导实践的光辉典型.这表明：一个科学的理论，不仅要能够说明已知的事实，而且要能预言当时还不知道的事实.思维拓展文学家就分析推算在海王星以外可能还有一颗未知的行星，经过长期的努力，终于在1930年3月14日，人们发现了太阳系的第9颗行星——冥王星.理想与现实：人造卫星和宇宙速度 一、牛顿预言利用万有引力定律和圆周运动知识，人们不仅能更深刻地认识和探索宇宙（主要是天体的运动），而且还能创造奇迹，宇宙飞船、航天飞机、人造地球卫星就是实例.牛顿在揭示了万有引力的规律之后，又描绘出人造卫星的原理：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星.二、人造卫星的绕行速度、角速度、周期与半径r 的关系1.v 与r 的关系.设人造卫星沿圆形轨道绕地球运动的环绕速度为v ，地球和卫星的质量分别为M 和m ，卫星到地心的距离为r （注意：r 不是地球半径）.卫星围绕地球做匀速圆周运动而不落下，必须满足的条件是地球对卫星的万有引力完全用来提供卫星运动所需要的向心力.即G 2r Mm =m r v 2所以v=r GM上式中，G 和M 的乘积是常量，所以卫星在轨道上环绕地球运转的速率v 跟轨道半径r 的平方根成反比，即卫星环绕地球运转的轨道半径r 越大，卫星运转的速率就越小，否则卫星将会离地球而去.因为万有引力跟r2成反比，随着r 增大引力急剧减小，一旦提供的万有引力不能满足所需要的向心力（m r v 2），卫星将做离心运动脱离地球的束缚而去，当轨道半径r 越小时，卫星运转的速率就越大. 2.ω与r 的关系设人造地球卫星绕地球运转的角速度为ω，由 G 2r Mm=m ω2r可得： ω=3r GM由上式可以看出，卫星的角速度跟轨道半径的23次方成反比，即卫星环绕地球运转的轨道半径r 越大，卫星运转的角速度ω就越小，反之轨道半径r 越小，卫星运转的角速度ω就越大. 设人造地球卫星绕地球运行的周期为T ，由 大胆猜想，是科学研究的重要一环，这也是一种创新精神.要点提炼在物理推导时，先设置情景并设出相关参量，然后应用规律推证.全析提示虽然距地面越高的卫星运转速率越小，但是向距地面越高的轨道发射卫星越困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功，所以发射卫星的速度越大，千万不要把卫星在轨道上运转的速度和发射速度混淆起来.要点提炼卫星绕地球运行的周期跟轨道半径的23次方成正比，即卫星环绕地球运转的轨道半径r 越大，卫星运转的周期T 就越长，反之，轨道半径r 越小，卫星运转的周期T 就越小.思维拓展 从讨论结果来看出v 、ω和T 均是轨道半径r 的单值函数.其函数式是研究人造地G 2r Mm =m 22π4T r可得T=2πGM r 3.三、三个宇宙速度 1.第一宇宙速度：（1）定义：要想发射人造卫星，必须具有足够的速度，发射人造卫星最小的发射速度称为第一宇宙速度. （2）推导：近地卫星轨道半径为地球半径R ，其速率（第一宇宙速度）为v ，则由万有引力充当向心力有 G 2R Mm =m R v 2式中G 为万有引力常量，M 为地球质量.若不知地球质量要估算其值，可借助于地球表面的重力加速度g.当忽略重力与万有引力的区别后则有 G 2R Mm =mg ，取GM=gR2，代入上式后可得 v=gR=7.9 km/s.2.第二宇宙速度和第三宇宙速度当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9 km/s 时，它绕地球运行的轨迹就不再是圆形，而是椭圆形.当卫星的速度等于或大于11.2 km/s 时，卫星就会脱离地球的引力不再绕地球运行，成为绕太阳运行的人造行星或飞到其他行星上去，我们把11.2 km/s 称为第二宇宙速度，也称脱离速度；当物体的速度等于或大于16.7 km/s ，物体便将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间中去，我们把16.7 km/s 称为第三宇宙速度，也称逃逸速度.第二宇宙速度和第三宇宙速度的值也可由万有引力定律和动力学的知识求解，但中学阶段不作要求. 讨论与交流这种说法是错误的.卫星绕地球做匀速圆周运动的速度v 和周期T 由 G 2r Mm =m r v 2得 v=r GM G 2r Mm =mr （T π2）2 得 T=2πGM r 3所以卫星离地面越高，其飞行线速度越小，周期越大.飞向太空的桥梁——火箭一、发射火箭的原理是利用反冲运动球卫星问题的理论基础.全析提示若卫星的发射速度恰好为第一宇宙速度，则卫星会在靠近地球表面处绕地球以此速度做圆周运动，这样的卫星常称为近地卫星.对于近地卫星常忽略其轨道半径与地球半径的区别，认为其轨道半径等于地球的半径R ，第一宇宙速度可看作是近地卫星的环绕速度，因此第一宇宙速度又称为环绕速度，并由此可推导出第一宇宙速度的表达式和数值.思维拓展1.当11.2 km/s ＞v ＞7.9 km/s 时，卫星绕地球旋转，其轨道是椭圆，地球位于一个焦点上.2.当16.7 km/s ＞v ≥11.2 km/s 时，卫星脱离地球的束缚，成为太阳系的一颗“小行星”.3.当v ≥16.7 km/s 时，卫星脱离太阳引力的束缚跑到太阳系以外的空间中去. 全析提示动量守恒定律我们以后会学到，在这里也可用作用力和反作用力体会反冲运动.发射火箭时，尾管中喷射出的高速气体有动量，根据动量守恒定律，火箭就获得向上的动量，从而向上飞去.二、火箭的组成火箭主要由壳体和燃料两部分组成，壳体内能运载弹头、人造卫星、空中探测器等物件.燃料部分有氧化剂和燃料.三、多级火箭才能获得发射卫星所需速度1.火箭所获得的最大速度取决于两个条件：其一是喷气速度，其二是质量比（即开始飞行的质量与燃料燃尽后的质量）.2.火箭是用液态氢为燃料，液态氧为氧化剂.3.一级火箭最终达不到发射卫星所需要的速度，发射卫星用多级火箭.4.多级火箭发射时，第一级火箭燃烧结束后，便自动脱落，接着第二、第三级依次工作，燃烧结束后自动脱落，这样可以不断地减小火箭壳体的质量，减轻负担，使火箭达到远远超过使用同样多的燃料的一级火箭所能达到的速度.目前多级火箭一般都是三级火箭.。
3.3飞向太空1．知识与技能(1)了解火箭的基本原理。
(2)了解万有引力定律对航天技术发展的重大贡献。
(3)了解人类在航天技术领域取得的伟大成就。
2．过程与方法(1)通过观察实验，了解火箭发射的原理。
(2)认识火箭的演变过程。
(3)了解多级火箭的发射过程。
(4)通过观察图片和录像，了解人类对太空的探索。
3．情感、态度与价值观(1)体会理论对实践的巨大指导作用。
(2)体会航天事业对人类所产生的影响。
(3)认识太空探险是一项光荣而危险的任务。
(4)通过观看录像，激发爱国之情和为祖国的科学事业做贡献的决心。
教学步骤：一、新课教学1．走向太空的桥梁——火箭理论和技术是航天事业不可分割的两个方面，技术需要理论给以指导，理论可以转化为技术。
本节通过“观察与思考”引导学生认识火箭的基本原理，体会火箭技术在实现人类飞天梦想的作用，认识火箭技术使得牛顿所设想的卫星理论得以变为实现。
对我国古代人民所发明的“烟花”学生并不陌生，而现代火箭正是在我国古代“烟花”的基础上发展起来的。
“观察与思考”栏目是让学生弄清“烟花”的组成以及各部分的作用。
而实际地放飞一枝“烟花”更能让学生明白“烟花”升空的原理．“烟花”升空靠的是火药燃烧向后喷出的高压燃气的反作用力实现的，显然在真空中火药不能燃烧，因此也就不能升空。
所以，现代火箭必须自带氧化剂。
在“实践与拓展”中，要求学生上网查找资料，制作一个“水火箭”，目的是让学生更加明白现代火箭的原理，同时消除对火箭的神秘感。
给予学生一定的指导。
教材给出了三级火箭的典型飞行图，一方面为了让学生感受三级火箭是怎样将卫星送到太空的，另一方面也为了说明多级火箭优于单级火箭在此，适当指出从理论上可知，单级火箭是不可能将卫星达到第一宇宙速度的，只有二级以上的火箭才可达到第一宇宙速度。
另外，火箭级数越多，技术越复杂，可靠性越低。
简单介绍火箭升空的主要几个阶段，如一级点火后加速上升、二级点火加速上升、二级关闭并惯性上升同时调整姿势等。
