人教版 (2019)必修 第二册第七章 万有引力与宇宙航行4 宇宙航行教案

7.4 宇宙航行

教学目标：

（一）知识与技能

1.知道三个宇宙速度的含义和数值，会计算第一宇宙速度．

2.掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系．　

3.理解近地卫星、同步卫星的区别．　

4.掌握卫星的变轨问题．

（二）过程与方法

1．通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养运用知识解决问题的能力。

2．通过对卫星运动规律的研究，帮助学生建立起关于各种人造地球卫星运行状况的正确图景。帮助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。

3．通过学习人类发射过程，学会同步卫星发射过程中变轨问题。

（三）情感态度与价值观

1. 感知人类探索宇宙的梦想及巨大成就，激发学生学习物理的热情，促使学生树立献身科学的人生观和价值观。

2. 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。

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价值观

教学重难点：

重点：

1、第一宇宙速度的推导

2、人造地球卫星的原理

难点：

1、对第一宇宙速度是环绕地球运行的最大值与发射的最小值的理解。

2、人造地球的发射、变轨原理

教学过程：

一、         导入新课：

如图所示，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。你知道这个速度究竟有多大吗？

从高山上水平抛出物体，速度越大，落地点离山脚越远。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，成为一颗永远绕地球运动的人造卫星。

二、讲授新课：

1、宇宙速度

思考：以多大的速度将物体抛出，它才会成为绕地球表面运动的卫星?

这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度， 叫作第一宇宙速度。

第一宇宙速度的定性分析

探究: 若卫星的发射速度大于7.9km/s ，会怎样呢？

理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大 于 7.9 km/s，又小于 11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于 11.2 km/s 时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把 11.2 km/s叫作第二宇宙速度。

第一宇宙速度又叫作环绕速度，第二宇宙速度又叫作逃逸速度。理论分析表明，逃逸速度是环绕速度的倍，即 v' ＝。这个关系对于

其他天体也是正确的。由此可知，天体的质量 m 越大，半

径 R 越小，逃逸速度也就越大，也就是说，其表面的物体

就越不容易脱离它的束缚。

达到第二宇宙速度的飞行器还无法脱离太阳

对它的引力。在地面附近发射飞行器，如果要使其挣

脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的

速度等于或大于 16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。

总结：

2、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，这对于人类是一个巨大的挑战。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。

中国航天之父

钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人， “中国科制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。

   曾任美国麻省理工学院和加州理工学院教授。1950年钱学森回国受阻，并受美国方面监禁，1955年，在毛泽东主席和周恩来总理的争取下回到中国。

自首颗人造地球卫星发射后，人类已经发射了数千颗人造地 球卫星，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。

人造地球卫星的轨道特点

1、卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．

(1)卫星绕地球沿椭圆轨道运动时，地心是椭圆的一个焦点，卫星的周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．

(2)卫星绕地球沿圆轨道运动时，因为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，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心．

(3)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任一角度，如图所示．

地球同步卫星

1、地球同步卫星的特点

卫星变轨问题

变轨原理

卫星发射和回收示意图：

卫星变轨问题的四点注意事项

3、载人航天与太空探索

人类一直有“飞天”的梦想，万有引力定律的发现，不仅破解了天上行星的运行规律，也为人类开辟了上天的 理论之路。随着技术的进步，人类迈向太空的脚步越来越 大，越来越坚实。

    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。火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类首次进入太空的丰碑。

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，指挥长阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，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。”

     2003 年 10 月 15 日 9 时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。飞船绕地球飞行 14 圈后安全降落。这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家。在载人航天方面，继神舟五号之后，截至 2017 年底，我国已经将 11 名（14 人次）航天员送入太空，包括两名女航天员。

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。

地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月球不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……未来的探索之路还很长。

练习：见ppt

【板书设计】

7.4  宇宙航行

一、牛顿的设想

二、宇宙速度

1、第一宇宙速度：v=7.9km/s

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。

2、第二宇宙速度大小：v=11.2km/s。

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。

3、第三宇宙速度大小：v=16.7km/s

物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间

三、人造地球卫星

1、an、v、ω、T，分别与其轨道半径r的关系

2、地球同步卫星

3、卫星变轨问题

四、载人航天与太空探索

【教学反思】