最新人教版高中物理必修2第六章《宇宙航行》自主学习互动

5.宇宙航行
一览众山小
三维目标
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.通过万有引力定律推导第一宇宙速度，培养运用知识解决问题的能力.
4.了解我国在卫星发射方面的情况，感知人类探索宇宙的梦想，树立献身科学的人生价值观，增强民族自信心和自豪感.
学法指导
学习本节前应首先复习万有引力定律、牛顿运动定律、平抛运动、圆周运动等知识.本节学习的重点是宇宙速度，关于第一宇宙速度的学习是难点.学习第一宇宙速度时，首先从已知的平抛运动开始，体会如果速度足够大，物体就不再落回地面，成为一颗人造卫星，并用已学知识推导出这个最小速度——第一宇宙速度.还要理解到，第一宇宙速度是最小的发射速度，也是在环绕地球做匀速圆周运动的所有可能的速度中最大的环绕速度.第二宇宙速度和第三宇宙速度只要了解它们的物理含义就可以了，不必深究.此外，要多搜集一些关于航空航天的知识，拓宽视野.。

宇宙航行教学建议（1）宇宙速度的教学从P74图7.5-1开始引入新课是个不错的办法，学生很容易理解，而且可以让学生在讲述第一宇宙速度之前就自己动手计算这个速度，这样再讲解第一宇宙速度的概念就水到渠成了。

要真正实现绕近地轨道的飞行，从山顶上水平发射是不行的，因为最高的山顶也不够高。

真正的发射场一般都建在纬度较低处，以便利用地球自转所具有的向东的速度，节省能量。

发射的火箭先是竖直上升，以尽快穿过浓厚的大气层，到大气真正稀薄的高空，再转向变为与地面平行。

当然一般发射的人造卫星轨道大多是椭圆，只有地球同步通信卫星的轨道是正圆。

所谓“近地”轨道，一般是指离地面几百公里到一、两千公里的轨道。

（资源库中视频《人造卫星》《人造地球卫星的应用》《宇宙速度》对卫星的发射、卫星的应用、宇宙速度等知识进行了简要讲解，教师可以课堂演示或指点学生自己观看，增加感性认识）。

第二宇宙速度和第三宇宙速度都只简单介绍概念，给出具有数值。

（2）梦想成真的教学这一段主要是科普知识的介绍，更主要的是进行态度、情感、价值观方面的教育。

要使学生认识到人类探索太空的伟大意义，认识物理学理论（包括万有引力理论）对技术、社会的影响和作用，学习科学家和宇航员为科学勇于探索、勇于献身的精神，激发学生献身科学事业的勇气和决心。

对我国的航天事业的发展，也要占用一定的时间，以进行爱国主义的教育。

对我国在极其困难的条件下独立自主地发展航天事业的意义（树立大国形象，增强民族自豪感和凝聚力，培养科学技术骨干力量和人材，带动整体科学技术水平的提高……）有所认识，对神舟五号载人飞船的发射成功，我国发展航天事业的前景等也应做适当的介绍。

虽然我国已经取得较大成功，但与先进国家相比，仍有很大差距，其根本出路在于全面发展经济，提高综合国力，振兴中华民族（资源库中《中国航天事业的发展》视频可以作为补充，让学生了解中国的航天的事业，增加对航天事业的兴趣，进行爱国主义的教育）。

对“科学漫步”栏目里的黑洞，“STS”栏目里的航天事业与人类生活的关系，可让学生自己阅读，有时间也可让学生谈谈读后的感想。

宇宙航行【三维目标】（一）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．了解人类对太空的探索历程。

（二）过程与方法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。

（三）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。

【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。

【课时安排】1课时【教学过程】一、新课引入情景导入阿波罗飞船载人登月和返回地球的轨道示意图经火箭发射，“阿波罗11号”首先进入环绕地球的轨道，然后加速，脱离地球轨道后，惯性滑行，进入环绕月球的轨道，最后登月舱降落在月球。

当宇航员在月球上完成工作后，再发动引擎进入环月球的轨道，然后加速，脱离月球轨道，进入地球轨道，最后降落于地球。

万有引力定律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，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。

火箭发射那么，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？牛顿在思考万有引力定律时就曾经想过，从高山上水平抛出的物体速度一次比一次大时，落点就一次比一次远。

如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，这就是人造地球卫星的雏形，那么这个速度需要多大呢？学习本节内容之后便可解决上述问题了。

二、新课讲解（一）宇宙速度片段一：人造地球卫星课件展示1．人造卫星发射及其在圆形轨道上的运动。

2．演示月球绕地球转动。

问题：1．抛出的石头会落地，为什么卫星、月球没有落下来？2．卫星、月球没有落下来必须具备什么条件？学生带着这两个问题阅读教材“宇宙速度”部分。

教学设计5宇宙航行文本式教学设计(二)浙江绍兴一中胡建国本教案获浙江省高中物理学科教学设计2级称号设计思想本节课设计的基本理念是：以学生为主体，以学生的发展为中心，发挥物理学科教育效应优势，促进学生知识、技能、品德三位一体的全面发展．本节课的难点在于对人造卫星发射原理的理解，因此教学设计上采用理论探究法：在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法．本课设计特色在于在整个教学过程中，教师创设一个又一个教学情境，使学生处于探索、研究、思维的氛围中，在满怀期待中步入科学的殿堂，领略和感悟科学的和谐之美．教材分析本节重点讲述了人造卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，并介绍了第二、第三宇宙速度．人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个非常重要的实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材．教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法．因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习、研究、探索天体物理问题的理论基础．另外，学生通过对人类在宇宙航行领域中的伟大成就及我国在航天领域成就的了解，潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强学生的民族自信心和自豪感．学情分析学生已掌握了运动的合成与分解、牛顿运动定律、圆周运动、机械能等章节的理论．学生可以利用这些知识和对宇宙奥秘的好奇心来探索人造卫星的发射及宇宙速度．学生可以通过联想上一章所学的对平抛物体的运动的处理方法来探究牛顿的思考，以地心为参考系平抛出去的物体从空间运动效果上可分解为指向地心的自由落体运动和绕地心的匀速圆周运动．而这两个分运动都是变速度运动，它们都需要一个指向地心的力来维持它们各自的运动状态．当万有引力正好提供向心力时，这样平抛出去的物体就落不下来了，从而得到第一宇宙速度．再根据圆周运动和机械能部分的知识可知道速度再大一些会做椭圆运动或摆脱地球对它的约束．这样，人们就可以到更远的地方去探索宇宙的奥秘了……学生可能在区分人造卫星的环绕速度与发射速度时会遇到困难，必须作好分解难点的准备．教学目标知识与技能1．了解人造卫星的有关知识；2．掌握三个宇宙速度的物理意义；3．会推导第一宇宙速度；4．简单了解航天发展史；5．能用所学知识求解卫星基本问题．过程与方法1．通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生科学推理、探索能力；2．通过分析处理人造地球卫星的方法，将卫星围绕地球的运动简化为绕地球做匀速圆周运动，培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力；3．通过学生总结课堂内容，比较黑板上的小结和自己的小结，学习科学的思维方法，构建他们自己的知识框架，培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力．情感态度与价值观1．介绍世界及我国航天事业的发展现状，激发学习科学、热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感；2．感受人类对客观事物不断探究的精神和情感．教学重点、难点1．第一宇宙速度的推导；2．人造卫星的环绕速度与发射速度的区别．教学策略与手段启发探究式教学法、问题式教学法、多媒体辅助教学；教具：多媒体课件、投影仪、计算机．课前准备1．学生预习本节内容，准备圆规等作图工具；2．多媒体课件；3．多媒体计算机；4．黑板作图工具．教学过程(一)引入新课教师活动：1.利用多媒体播放视频：人造卫星发射(“神六”或“神五”的发射过程)．2．演示人造卫星或月亮绕地球转动．提出问题：为什么抛出去的石头会落下来而发射出去的卫星却没有落下来呢？导入新课：这就是我们这节课要探讨的问题．点评：创设情境，激发情感，直接导入新课．(二)进行新课1．宇宙速度教师活动：请同学们阅读课文第一自然段，同时思考下列问题[投影出示]：(1)在地面抛出的物体为什么要落回地面？(2)什么叫人造地球卫星？学生活动：阅读课文，从课文中找出相应的答案．(1)在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面．(2)如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，那么它将不再落回地面，而成为一个绕地球运转的卫星，这个物体此时就可认为是一颗人造地球卫星．点评：创设情景，引入探究，引出人造地球卫星的概念，体现学生的主体地位和老师的主导作用．教师活动：引导学生深入探究(1)月球也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？(2)物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系？(3)若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？学生活动：分组讨论，得出结论．(1)由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来．(2)由平抛物体的运动规律知：x ＝v 0t ①h ＝12gt 2② 联立①②可得：x ＝v 02h g即物体飞行的水平距离和初速度v 0及竖直高度h 有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v 0有关，水平初速度越大，飞行得越远．(3)当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星．点评：通过学生的自学和阅读，了解人造卫星发射的基本方法，通过师生共同的推导得出物体不落回地面的原因，培养学生自主学习能力和分析推导的能力．教师活动：课件演示牛顿的《人造卫星发射原理图》：平抛物体的速度逐渐增大，飞行距离也跟着增大，当速度足够大时，成为一颗绕地球运转的卫星．牛顿曾依据平抛现象猜想了卫星的发射原理，但他没有看到他的猜想得以实现．今天，我们的科学家们把牛顿的猜想变成了现实．教师活动：[过渡语]从上面学习可知，当平抛物体的初速度足够大时就可成为卫星．那么，大到什么程度就叫足够大了呢？下面我们来讨论这一个问题．请同学们阅读教材有关内容，同时考虑下面几个问题[投影出示]：(1)卫星环绕地球运转的动力学方程是什么？(2)什么叫第一宇宙速度？什么叫第二宇宙速度？什么叫第三宇宙速度？学生活动：阅读课文，找出相应答案．(1)卫星绕地球运转时做匀速圆周运动，此时的动力学方程是：G Mm r 2＝m v 2r. (2)人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动时所必须具有的速度叫第一宇宙速度． 人造卫星绕地球做椭圆轨道运动时所具有的最大运转速度叫第二宇宙速度．人造卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙中去时，所必须具有的速度叫第三宇宙速度．点评：通过阅读了解三个宇宙速度的概念，通过引导启发，暴露学生思维过程，构建物理模型．教师活动：引导学生深入探究：(1)卫星绕地球运转的最小半径是多少？(2)结合卫星运转的动力学方程，推导第一宇宙速度．(3)什么是发射速度？什么是环绕速度？学生活动：分组讨论，得出答案．(1)卫星运转的最小半径近似等于地球的半径，即在地球表面绕地运转．(2)由万有引力定律和牛顿第二定律，得：G Mm R 2＝m v 2R① 可得第一宇宙速度v ＝GM R ＝ 6.67×10－11×5.89×10246.40×106 m/s ≈7.9 km/s.第一宇宙速度是卫星的最大的轨道速度，我们习惯把这样的卫星叫近地卫星．当卫星的轨道半径r 增大时(r ＞R )，v 将减小．第一宇宙速度也可根据万有引力近似等于物体的重力，得：G Mm R2＝mg ② 由①②两式得v ＝gR代入数据得v ＝7.9 km/s.(3)发射速度：是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度．教师活动：总结、点评．根据公式v＝GMr可得，当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速度越小，但由于克服重力做功，送入轨道需要消耗的能量越多，卫星发射越难，发射的速度必须越大．由此，我们可以得出要将人造卫星送入轨道的发射速度必须大于这个值．所以第一宇宙速度有两层含义：它既是人造地球卫星的最小发射速度，也是所有卫星的最大环绕速度．点评：通过严密的数学推导过程，得出第一宇宙速度的大小，并理解它的物理意义．以上这些结论都是由学生在学习小组中探究得到，学生的自信心得到极大的满足，更主要使他们从被动接受变为主动索取，使学生乐学、好学．教师活动：引导学生深入探究(1)当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，卫星将如何运动？(2)第二宇宙速度、第三宇宙速度的大小是多少？物理意义是什么？学生活动：阅读课文，找出相应答案．发射速度越大，人造卫星就进入更高的轨道，当速度大到某一值时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运动，我们把这个速度叫第二宇宙速度，它的大小为v2＝11.2 km/s.若在地面附近以大于7.9 km/s而小于11.2 km/s的速度水平发射飞行物时，它将绕地球做椭圆运动．因此发射高轨道卫星的另一方案是：先将卫星送入椭圆轨道，然后在椭圆轨道的远地点将速度加速到等于环绕速度．飞行物若以超过11.2 km/s但小于16.7 km/s的速度发射虽然可以摆脱地球对它的吸引，但它还是离不开太阳系对它的约束．要使物体挣脱太阳对它的束缚，其速度必须等于或大于16.7 km/s，这个速度叫第三宇宙速度．教师活动：引导学生深入探究让学生猜想：若以大于11.2 km/s而小于16.7 km/s的速度发射飞行物时，飞行物最终将在哪里运动呢？学生活动：飞行物可能围绕太阳或其他行星运行，也可能掉落到太阳或其他行星上坠毁．点评：再设情景，激起学生的好奇心，使学生对天体运动大胆猜测、推理．教师活动：总结、点评．课件动态展示：在第一宇宙速度及在此基础上卫星发射速度不断增大的过程中，运动轨迹由围绕地球运动的圆周→椭圆→偏心率逐渐变小的椭圆→挣脱地球引力围绕太阳运动→飞出太阳系的变化过程．2．梦想成真教师活动：引导学生阅读有关内容，让学生了解人类在探索宇宙的奥秘中已经取得的辉煌成就，体会我国在征服宇宙太空的过程中所取得的伟大成就，培养学生的爱国热情和愿为科学献身的精神．视频展示：我国载人飞船“神舟五号”升空实况．图片展示：国际航空成就及中国航空成就．学生活动：阅读课本，发表感想．让同学感想到：我们是祖国未来的希望，现在需要努力学习科学文化知识，将来为祖国的航天事业作贡献．要培养学生坚韧不拔、勇于探索、协力合作的科学精神以及严谨求实、谦虚谨慎、勇于质疑的科学态度；也要培养学习者热爱科学、热爱祖国的情感；努力学习、振兴中华的责任感．点评：使新课程知识和技能、过程和方法、情感态度和价值观三位一体的目标得到全面发展．(三)课堂总结、点评教师活动：让学生概括总结本节的内容．请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学们评价黑板上的小结内容．学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方．点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力．教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架．(四)实例探究例题关于第一宇宙速度，下列说法正确的是()．A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度C．它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D．它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度参考答案：BC.1．教师点拨引导学生通过联想得出解题的两种方法，将计算结果与正确结果进行比较．2．拓展：将天体运动的椭圆轨道近似为圆．所有环绕中心天体做圆周运动所需向心力，均由中心天体的万有引力提供．点评：通过两道实例探究，检验学生学习情况，巩固学生课堂所学知识，培养学生处理实际问题的技能和方法．板书设计5字宙航行一、人造卫星二、三、梦想成真小结与作业布置1．小结：我们这节课主要学的内容是第一宇宙速度的推导过程、对第一宇宙速度的两层含义的理解及对第二、三宇宙速度的理解．2．作业：a.阅读教材P46的课后资料——“黑洞”和“航天事业改变着人类生活”b．上网查阅：(1)人造卫星的种类(2)同步卫星的含义及特点问题研讨[问题1]某小报登载了这样一则消息：“×年×月×日，×国发射了一颗人造环月球卫星．……卫星的周期为72 min……”．有一位同学对这则新闻将信将疑，但一时无法查找有关资料．只凭记忆，记起了月球的半径约为地球半径的1/4，月球表面的重力加速度约为地球的1/6，且R地＝6.4×106 m，g地＝9.8 m/s2.请依上述数据写出论证过程及结论．[问题2]我们可以怎样在地面上发射火星人造卫星，发射速度至少要多大？[问题3]如何实现地球人造卫星的回收？。

课堂互动三点剖析一、第一宇宙速度的推导根据公式r v m rMm G 22=得，v=r GM ，应用近地条件r=R （R 为地球半径），R=6 400 km ，M=6×1024 kg ，可以得出v=RGM =7.9 km/s. 第一宇宙速度还可以有另一种推导：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=R v m RMm G 22=得v=8.91064003⨯⨯=gR km/s=7.9 km/s.要发射一颗人造地球卫星，必须使发射速度不小于第一宇宙速度v 1，若发射速度恰等于v 1且发射方向和地面相切，则卫星恰能“贴”地表绕地球做匀速圆周运动（理论分析而已）．要使卫星在距地面较高的轨道运行，就必须使发射速度大于v 1.二、卫星的线速度、角速度、周期与半径的关系1．卫星的线速度、角速度、周期和半径的关系卫星在轨道上运行时，卫星的轨道近似看作圆形轨道，这样地球对卫星的万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力．设卫星的质量为m ，地球的质量为M ，卫星的轨道半径为r ，线速度大小为v ，角速度为ω，周期为T ，则有r v m rMm G 22==mω2r=m(T π2)2r （1）向心加速度：根据牛顿第二定律得a=2r GM ．随着卫星轨道半径的增大，向心加速度将减小． （2）由r v m rMm G 22=得线速度v=r GM ，可以看出轨道半径越大，运行的线速度越小． （3）由2r Mm G =mω2r 得角速度ω=3rGM ，可以看出轨道半径越大，运行的角速度越小. （4）由2r Mm G =m(T π2)2r 得运行周期T=GMr 324π，可以看出轨道半径越大，运行的周期越大．2．人造卫星中的“超重”与“失重”（1）发射人造卫星时，卫星尚未进入轨道前的加速过程中，由于具有向上的加速度（或加速度有竖直向上的分量），卫星内的物体处于超重状态．这种情况与加速上升的电梯内的物体的超重情形相同．（2）卫星进入预定轨道后，在正常运行过程中，卫星的加速度等于轨道外的重力加速度，卫星中的物体处于完全失重状态．凡是工作原理与重力有关的仪器，比如天平、水银气压计等，在卫星中都不能正常使用，凡是与重力有关的实验在卫星中都无法进行．三、地球同步卫星1．定义：是指在赤道平面内，相对于地面静止且与地球自转具有相同角速度绕地球运行的卫星．同步卫星又叫通讯卫星.2．同步卫星的特点（1）周期一定：同步卫星在赤道上空相对地球静止，它绕地球的运动与地球自转同步，它的运行周期就等于地球的自转周期，即T=24 h ．（2）角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度．（3）轨道一定：由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步，这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行，又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力提供的，这又决定了同步卫星的圆周运动的圆心为地心，即同步卫星的轨道平面与赤道平面共面同心．在周期和角速度一定的条件下，同步卫星的高度不具有任意性，而是唯一确定的．根据2)(h R Mm G +=mω2(R+h)，得到h=R T gR R GM -=-3222324πω=35 800 km. （4）线速度一定：在轨道半径一定的条件下，同步卫星的线速度也是一定的，且为 v=hR gR r GM +=2=3.08 km/s. （5）向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心的距离相等，所以它们绕地球运动的向心加速度大小相等，约为0.23 m/s 2．各个击破【例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 ，该卫星可能（ ）A ．绕地球做匀速圆周运动，周期变大B ．绕地球运动，轨道变为椭圆C ．不绕地球运动，成为太阳系的人造行星D ．挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙解析：人造地球卫星以初速度v 发射，可绕地球做匀速圆周运动，则发射速度满足7.9 km ／s≤v ＜11.2 km ／s ，所以发射速度为2v 时，2v≥15.8 km ／s ，即发射速度一定大于第二宇宙速度11.2 km ／s ，卫星一定脱离地球束缚，成为太阳系的人造行星.C 选项正确． 答案：C温馨提示：卫星发射速度越大，离地越高，绕行速度、角速度越小，只适用于地球的卫星．发射速度过大，卫星将脱离地球，而要发射太空探测器，就必须发射速度超过第二宇宙速度，使其摆脱地球的引力．【例2】在某个半径为R=105 m 的行星表面，对于一个质量m=1 kg 的砝码，用弹簧秤称量，其重力的大小G=1.6 N ．请计算该星球的第一宇宙速度v 1是多大．（注：第一宇宙速度v 1，也即近地最大环绕速度；本题可以认为物体重力大小与其万有引力的大小相等）解析：根据G=mg ，求得g=16.1=m G m/s 2，因在星球表面附近，砝码的重力近似等于万有引力，所以mg=R v m RMm G 22=，解得v=5106.1⨯=gR m/s=400 m/s ．答案：400 m/s【例3】如图7-5-1所示，有A 、B 两颗行星绕同一颗恒星做圆周运动，旋转方向相同，A 行星的周期为T 1，B 行星的周期为T 2，在某一时刻两行星相距最近.则（ ）图7-5-1A ．经过时间t=T 1+T 2，两行星再次相距最近B ．经过时间t=1221T T T T -，两行星再次相距最近 C ．经过时间t=221T T +，两行星相距最远 D ．经过时间t=)(21221T T T T -，两行星相距最远 解析：紧扣运动的等时性及两行星转过角度之差分析．设单位时间内两行星转过角度之差为ΔΦ，则ΔΦ=ω1-ω2=2122T T ππ-，当两行星再次相距最近时，转过角度之差为2π，所需时间t 为t=12212T T T T -=∆Φπ．两行星相距最远时，转过角度之差为π，所需时间t 为t=)(21221T T T T -=∆Φπ，故选项BD 正确． 答案：BD类题演练 1某人造地球卫星因受高空稀薄空气的阻力作用，绕地球运转的轨道会慢慢改变，每次测量中卫星运动可近似看作圆周运动．某次测量卫星轨道半径为r 1，后来变为r 2，且r 2＜ r 1．卫星在轨道r 1上运行的动能为E k1、周期为T 1；在轨道r 2上运行的动能为E k2、周期为T 2.则下列判断中正确的是（ ）A ．E k2＜ E k1、T 2＜T 1B ．E k2＜ E k1、T 2＞T 1C ．E k2＞ E k1、T 2＜T 1D ．E k2＞ E k1、T 2＞ T 1解析：人造地球卫星做圆周运动的向心力来源于地球对卫星的吸引力，即2rMm G =ma.卫星做圆周运动的向心加速度a 可根据需要写出不同的形式．根据此题提供的选项，应将a 写成a=r v 2，a=224T rr π，故r v m r m GM 22=,E k =21mv 2=r Mm G 21;2224T r m r Mm G π=,T=GMr 324π． 可以看出半径减小时，动能E k 变大，周期T 减小，所以应选C.答案：C【例4】“伽利略”号木星探测器从1989年10月进入太空起，历时6年，行程37亿千米，终于到达木星周围．此后要在2年内绕木星运行11圈，对木星及其卫星进行考察，最后进入木星大气层烧毁．设这11圈它都是绕木星在同一个圆周上运行，试求探测器绕木星运行的轨道半径和速率.已知木星的质量为1.9×1027 kg.解析：探测器在2年内绕木星运行11圈，可以知道探测器的运行周期，然后再结合万有引力提供探测器的向心力，可以求出半径和速率．由v=t nr π2（式中n 为圈数）和公式r v m rMm G 22=，得r=312])2([n t GM π=4.7×109 m ，v=r GM =5.2×103 m/s. 答案：4.7×109 m 5.2×103 m/s【例5】发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q 点，轨道2、3相切于P 点．如图7-5-2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（ ）图7-5-2A ．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 点时的加速度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 点时的加速度解析：地球对卫星的万有引力提供向心力，卫星在轨道1和轨道3上的运动可以看作是匀速圆周运动，根据万有引力定律和牛顿第二定律，有r v m rMm G 22=，所以v=r GM ，轨道半径越大，卫星在轨道上运动时的速率越小，故A 错.又2r Mm G =mω2r ，所以ω=3r GM ，轨道半径越大，卫星在轨道上运动时的角速度越小，故B 正确.由圆周运动的加速度a=r v 2及2r Mm G =ma ，得a=2rGM ，a 的大小与r 2成反比．在P 点时，卫星无论沿2还是3轨道运行，到地心的距离，即轨道半径是相等的，因此在P 点的向心加速度应相等，故D 正确．答案：BD温馨提示：本题解题关键是应用万有引力定律和牛顿第二定律导出 v=r GM ,ω=3r GM ,a=2r GM 来分析v 、ω、a 的关系．一定要掌握P 点为2、3轨道的切点，Q 点为1、2轨道的切点．“相切”隐含着两轨道有相同瞬时轨道半径．类题演练 2如图7-5-3所示的三个人造地球卫星，则下列说法正确的是（ ）图7-5-3A ．卫星可能的轨道为a 、b 、cB ．卫星可能的轨道为a 、cC ．同步卫星可能的轨道为a 、cD ．同步卫星可能的轨道为a解析：人造地球卫星绕地球做圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供，万有引力指向地心，圆周运动的向心力指向圆心，所以人造地球卫星的轨道圆心必须与地心重合．因此，卫星的轨道不可能是b ，而有可能是a 、c ．另外，卫星的轨道还可能为通过南北两极的极地轨道，而同步卫星需与地球自转同步，只能在赤道上空．答案：BD。

人教版高中物理必修2第6章第5节宇宙航行【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，会推导笫一宇宙速度。

【过程与方法】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。

【教学重难点】（1）第一宇宙速度的推导。

（2）运行速率、角速度、周期和向心加与轨道半径之间的关系。

【教学过程】★重难点一、人造地球卫星★1.牛顿的设想如图所示，当物体的初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落冋地球表面，成为一颗绕地球转动的人造地球卫星。

2.原理一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即GMm _ mv_则卫星在轨道上运行的线速度尸寸竿★重难点二、宇宙速度*一、对第一宇宙速度的理解1.第一宇宙速度第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速度，即近地卫星的环绕速度。

2.决定因素由第一宇宙速度的汁算式尸寸伴可以看出，第一宇宙速度的值由屮心天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量M和半径与卫星无关。

3.理解(1)“最小发射速度向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。

近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。

(2)“最大环绕速度在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由晋=応可得尸字轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。

二、人造地球卫星1.卫星的轨道⑴卫星绕地球运动的轨道对以是椭圆轨道，也对以是圆轨道。

(2)卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，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。

2020年3 月17 日教学活动（一）引入新课多媒体播放一段导航音频，一段从北京市第五十七中学到木樨地公交车站的导航录音，作为开始的背景音。

提出问题：现代人的出行，导航已经成为人们的一种生活常态，大家那么相信导航能够将我们成功导向目的地，为什么？导航卫星和GPS系统为我们的出行提供的保证，GPS系统是由全球覆盖率高达98%的24颗GPS导航卫星组成。

这24颗GPS卫星的轨道高度为20000km，工作在互成30度的6条轨道上。

用户使用GPS 接收机同时接收4颗以上卫星的信号，即可确定自身所在的经纬度、高度及精确时间。

基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

提出问题：那什么是卫星，卫星在太空中运行需要动力吗？（二）进行新课——卫星提出问题：为什么卫星在太空中飞行不需要动力？学生回答：地球对卫星的万有引力，提供卫星的向心力。

下面的几条卫星轨道，请判断哪条是可能的，哪条是不可能的？判断依据是什么？通过上面的判断，总结一下卫星的特点，人造卫星的轨道只能是以地球球心为圆心的圆周。

根据卫星的轨道不同，我们将卫星分为赤道卫星，极地卫星，任意轨道卫星。

按照卫星轨道的高低，可以分为近地卫星，低轨道，中高轨道等等我们观察不同轨道的卫星有什么特点？我们理论分析一下，卫星的线速度、角速度、加速度和周期与轨道半径的关系，已知地球质量为M，卫星质量为m，轨学生活动（学生思考交流）卫星在太空中飞行不需要动力，但是在调整轨道时需要动力。

ACD可能，B不可能，因为B在纬度圈，万有引力指向地心，而向心力指向地轴，所以B 圈不可能。

学生总结：轨道越高，线速度越小，角速度越小，周期越大板书：宇宙航行板书：人造卫星的特点：12道半径为r ，线速度为v ，角速度为w ，周期为T ，由于万有引力提供向心力，则22Mm v G m r r =，∴GMv r =，可见：高轨道上运行的卫星，线速度小。

课题：§6.5 宇宙航行
一、教材分析
《宇宙航行》为人教版必修2第六章第五节。

本节介绍了人造卫星的发射原理，推导了地球第一宇宙速度,并介绍了第二、第三宇宙速度以及人类探索太空的历程。

人造卫星是万有引力定律在航天领域方面的应用，通过本节的学习学生可以初步了解航天知识。

通过梳理我国在航天领域取得的成就以激发学生探索太空的兴趣，促进学生增强民族自信心和自豪感。

二、教学目标
1.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）了解人类探索太空的历程
2.过程与方法：
（1）体验建模的过程与方法
（2）学习科学的思维方法
3.情感态度与价值观：
通过梳理我国在航天领域取得的成就以激发学生探索太空的兴趣，促进学生增强民族自信心和自豪感
三、教学重点
第一宇宙速度的概念及其推导
四、教学难点
对第一宇宙速度的理解
五、教学方法
通过讲解与探究相结合的方法组织教学
六、教具
摆球、课件
七、教学过程
八、布置作业
上网查找学习航天方面的知识。

6.5 宇宙航行★新课标要求（一）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。

（二）过程与方法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（三）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。

★教学重点第一宇宙速度的推导★教学难点运行速率与轨道半径之间的关系★教学方法教师启发、引导，学生自主阅读、思考，讨论、交流学习成果。

★教学工具有关练习题的投影片、计算机、投影仪等多媒体教学设备★教学过程（一）引入新课教师活动：上节课我们学习了万有引力的成就。

现在请同学们回忆下列问题：1、万有引力定律在天文学上有何应用？2、如何应用万有引力定律计算天体的质量？能否计算环绕天体的质量？ 学生活动：经过思考，回答上述问题：1、应用万有引力定律可以估算天体的质量；可以来发现未知天体。

2、应用万有引力定律求解天体质量时，万有引力充当向心力，结合圆周运动向心加速度的三种表述方式可得三种形式的方程，即 G rv m r Mm 22= ① G 2rMm =m ω2·r ② G 2r Mm =m 224T r π ③ 教师活动：点评、总结导入：这节课我们再来学习有关宇宙航行的知识。

（二）进行新课1、宇宙速度教师活动：请同学们阅读课文第一自然段，同时思考下列问题［投影出示］：1、在地面抛出的物体为什么要落回地面？2、什么叫人造地球卫星？学生活动：阅读课文，从课文中找出相应的答案。

1、在地面上抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面。

2、如果在地面上抛出一个物体时的速度足够大，那么它将不再落回地面，而成为一个绕地球运转的卫星，这个物体此时就可认为是一颗人造地球卫星。

教师活动：引导学生深入探究1、月球也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？2、物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系?3、若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？学生活动：分组讨论，得出结论。

第5节 宇宙航行课前预习情景导入2003年10月15日9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船顺利升空，飞船升空后，首先沿椭圆轨道运行，其近地点约为200 km ，远地点约为340 km.绕地球飞行七圈后，地面发出指令，使飞船上的发动机在飞船到达远地点时自动点火，提高了飞船的速度，使飞船在距地面340 km 的圆轨道上飞行．飞船在圆轨道上运行时，需要进行多次轨道维持．轨道维持就是通过控制飞船上的发动机的点火时间和推力，使飞船能保持在同一轨道上稳定运行．如果不进行轨道维持,将使飞船的周期逐渐缩短，且飞船的线速度逐渐增大，这是为什么？简答：飞船绕地球做匀速圆周运动，地球对飞船的引力提供向心力，R v m RMm G 22=．如果不进行轨道维持，由于阻力，使飞船的速度减小，R v m RMm G 22>，飞船在万有引力的作用下，高度降低，万有引力做正功，速度增大，根据T=vR π2，周期减小，ω=T π2，角速度增大．亦可根据F=R v m RMm G 22==mR(T π2)2=ma 知，半径减小，线速度、角速度、向心加速度增大，周期减小．故必须进行多次轨道维持.知识预览⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧员杨利伟送入太空把中国第一位宇航星发射中心成功发射五号宇宙飞船在酒泉卫神舟我国日月年日在月球表面着陆月号飞船在美国发射升空阿波罗日月年卫星由苏联发射成功世界上第一颗人造地球日月年其大小为小速度的宇宙空间所必需要最的束缚飞到太阳系以外使之最后脱离太阳引力是指在地面上发射物体又叫逃逸速度第三宇宙速度其大小为速度上去所必需的最小发射的行星或飞到其他行星成为绕太阳运动的束缚是指物体克服地球引力又叫脱离速度第二宇宙速度其大小为速度地球做匀速圆周运动的是指物体在地面附近绕又叫环绕速度第一宇宙速度,”“,15102003;20711”“,1671969;,4101957.4/7.16,,,,.3/2.11,,,,.2/9.7,,,.1，s km s km skm。

《宇宙航行》说课稿尊敬的各位领导，各位老师，大家好。

今天我说课的题目选自人教版高中物理必修二第六章第五节《宇宙航行》。

下面我将从教材分析、学情分析，教学目标、教学重难点、教学方法、教学程序、作业设计与板书设计几个的方面进行阐述。

一、教材分析《宇宙航行》是新课程人教版必修二第六章第五节的内容，本节课是以学生前面已掌握的平抛运动、圆周运动和向心力等知识以及万有引力定律为基础，重点推导了第一宇宙速度，介绍了第二、第三宇宙速度。

通过对人造卫星、宇宙速度的介绍，使学生对航天科学产生兴趣，增强民族自信心和自豪感。

是学生进一步学习研究天体物理问题的基础。

二、学情分析从学生年龄特征来看，大多是00后出生，他们已经对本节知识有一定的接受能力，但是对知识体系条理性掌握，对易混淆知识的辨别能力还欠缺。

从学生的知识基础来看，本节与第五章息息相关，不同水平的学生学起来认知程度不一样。

从认知特点及思维规律来看，学生容易接收表象、浅显的知识，不易接收推理性强、易混淆的知识。

因此在教学过程中教师要作合理的引导。

三、教学目标1、知识与技能（1）知道三个宇宙速度的含义和数值，会推导第一宇宙速度。

（2）会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。

（3）理解卫星的运行速度、角速度、周期、向心加速度与轨道半径的关系。

2、过程与方法(1)在学习牛顿对卫星发射猜想的同时，培养学生科学探索能力；(2)培养学生在处理实际问题时，如何构建物理模型的能力。

3、情感态度与价值观（1）通过展示人类在宇宙航行领域中的伟大成就，激发学生学习物理知识的热情。

（2）通过介绍我国在航天方面的成就，激发学生的爱国热情，增强民族自信心和自豪感。

（3）感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。

四、教学重点依据课程标准要求和本节教材实际，并结合课后习题，确定本节的教学重点为：宇宙第一速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。

因为高一学生思维还不够敏捷，很难做到大跨度的思维跳跃，对于人造卫星、宇宙飞船等高科技产品，学生在学习时往往存在一定的心里障碍。

《宇宙航行》教学设计一、【教学内容分析】“宇宙航行”是人教版—普通高中《物理》教材·必修2—第六章“万有引力与航天”的第五小节。

主要介绍了万有引力定律的实践成就，及航天事业的发展及其巨大成果。

教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。

因此，本节课是“万有引力与航天”中的一个重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。

人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是学生学习、了解现代科技知识的一个极好素材。

通过对人造卫星原理、宇宙速度等宇宙航行知识的学习，学生不仅可以对万有引力定律有个更全面、更深入的认识，对人类进行宇宙航行有一个更为系统的了解，还有助于帮助学生巩固前面所学的运动学和动力学知识，同时，也可以培养学生对航天科学的热爱，增强民族自豪感和自信心。

二、【教学对象分析】从知识层面来看，在学习本节课之前，学生已经学过了平抛运动、匀速圆周运动的规律，具备解决宇宙航行问题的知识基础。

另外，通过本章前四节课的学习，学生对万有引力定律的内容及其在天文学上的理论应用也有了初步的认识，但对人造地球卫星的原理尚不清楚，对人类航天事业也需要进一步的了解。

从学生的认知特点及思维规律来看，高一学生的思维方式，尚处在由初中形象思维为主、向高中抽象思维为主过渡的阶段，容易接受表象的知识，但对知识体系的条理性掌握、对易混淆知识的辨别能力还有所欠缺。

所以需要教师在教学过程中的巧妙引导和指点。

三、【教学目标及重难点】（1）教学目标知识与技能1.知道三个宇宙速度的数值及意义，并会推导第一宇宙速度。

2.了解人造卫星的原理及运行规律，建立起关于各种卫星的运行状况的正确图景。

过程与方法1.经历探究人造卫星由设想变为现实的过程，体会猜想、外推的科学方法，培养学生的科学思维。

2.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，以及对卫星运动规律的研究，培养学生分析、推导、归纳及合理表达能力，养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯。

《宇宙航行》教学设计设计者：杨绍兰单位：南京师范大学物科院物理课程与教学论专业研究生一、教材分析“宇宙航行”是人教版—普通高中《物理》教材·必修2—第六章“万有引力与航天”的第五小节。

主要介绍了万有引力定律的实践成就，及航天事业的发展及其巨大成果。

教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。

因此，本节课是“万有引力与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。

人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是学生学习、了解现代科技知识的一个极好素材。

通过对人造卫星原理、宇宙速度等宇宙航行知识的学习，学生不仅可以对万有引力定律有个更全面、更深入的认识，对人类进行宇宙航行有一个更为系统的了解，还有助于培养学生利用所学知识分析、解决实际问题的能力。

同时，也会让学生产生对航天科学的热爱，增强民族自豪感和自信心。

二、教学设计思路1.本节课是一节知识应用与扩展的课程，所以设计时注意加大知识含量，引起学生兴趣。

同时注意方法的培养，让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯，避免套公式的不良习惯。

围绕第一宇宙速度的讨论，让学生形成较正确的卫星运动图景。

2. 本课的教学设计中教师的主导作用表现为：积极创设问题情境、启发学生思维；学生的主体作用为：动脑、动口、动手。

而电教媒体则为这一切提供丰富的信息资源和交互平台。

（二）、电教设计说明运用现代教育技术能够扩展可视性，实现对现实的形象模拟。

本电教设计精心挑选了多媒体素材，对媒体的运用，力求体现引导认知性、体现逻辑性和现实模拟的真实性。

在每个环节，先用媒体让学生形成感性认知，以问题为中心，学生在观察与体验中思考，自觉地由浅入深，由感性到理性分层探索，再通过师生的讨论、分析、概括及应用，实现由感性认识上升为理性认识的飞跃。

将思维的发展贯穿于知识认知的全过程，是本课的一条主线。

本电教设计1、素材的选择图片6张（由嫦娥奔月、飞天壁画、神舟七号飞船等图片切入课题，增强学生对物理学科的亲切感，诱发学习动机）；Flash课件3个（1：牛顿关于人造卫星的猜想；2：在动态变化过程中认知三种宇速；3：卫星的运动特征）；视频录像2段（神七出仓、“嫦娥一号”发射全程：激发学生热情和兴趣，实现对现实的形象模拟，让学生体验科学的整体感）。