宇宙航行教案

2024年3月30日发(作者：吉赛尔)

《宇宙航行》教案

一、教材分析

《宇宙航行》系新课程人教版必修2第六章第五节，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天体物理问题的理论基础。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。

二、教学目标

（一） 知识与技能

（1）知道人造地球卫星的运行原理，会运用万有引力定律和圆周运动公式分析解答有关卫星运行的原因；

（2）掌握三个宇宙速度，会推导第一宇宙速度；

（3）简单了解航天发展史。

（4）能用所学知识求解卫星基本问题。

（二）过程与方法

（1）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）学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。

（三）情感态度与价值观

介绍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。

课时安排：一节课

教 具：多媒体课件、计算机

三、设计理念

学科教学活动以学生为主体，促进学生知识、能力、品德三维一体的全面发展，这是本课件设计的基本理念。学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具。本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，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。

四、教学重点、难点

（1）第一宇宙速度的推导；

（2）人造卫星运转的环行速度与卫星发射速度的区别；

五、教学方法

启发探究式教学、多媒体辅助教学。

六、教学准备：

多媒体制作，计算机。

七、教学过程

（一）创设情境，激发情感，引入新课

1. 利用多媒体播放视频：神七问天

2. 导入语：探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。 “嫦娥奔月”“神七问天” “神八与天宫一号对接”标志着我国掌握世界上最先进的航天技术。

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那么，卫星是如何上天的？是如何到达指定高度的？会掉下来吗？是什么力使卫星能绕地球飞行？…

本节课我们就利用万有引力定律和圆周运动的知识对宇宙航行做一个初步的了解和研究。

3. 提出问题：抛出的石头会落地，为什么卫星、月亮没有落下来？卫星、月亮没有落下来必须具备什么条件？

（二）人造地球卫星

1．抛物演示实验：学生观察落地点的变化，落地点为什么会变化？

2．牛顿的思考与设想：

△抛出的速度v越大时，落地点越远，速度不断增大，将会出现什么结果？

△牛顿根据自己的设想草拟了一幅极富创意的人造卫星原理图。

△牛顿的设想由于受技术条件的限制，物体不可能达到这样的速度，但他的思想启发了后人，在太空探索中立了头功。

△展示牛顿的设想过程。

引出人造地球卫星（简称人造卫星）的概念。

（三）宇宙速度

1．第一宇宙速度

问题的提出：人造卫星为什么不掉下来，人造卫星的线速度有多大。进行提示想想翻滚过山车、杂技水流星，小球、水到了最高点为什么不掉来，一起探索原因，直到得出结论。

早在16世纪道的牛顿就曾思考过这个问题。（播放卫星发射原理动画，并向学生分析）

从地球上最高的山峰上将物体水平抛出，速度越大，落地点就越远。如果抛出的速度足够大，物体就不在落回地面，它将绕地球运动，成为一颗人造地球卫星。物体最终绕地球表面做匀速圆周运动，地球质量为5.89×1024Kg，半径为R=6.37×106m，G=6.67×10-11N·m2/Kg2 。引力提供其做圆周运动所需的向心力。

代入数据得v=7．9km/s

这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫做第一宇宙速度。

如果发射速度大于第一宇宙速度，结果会怎样呢？

2．第二宇宙速度

当抛出物体的速度继续增大，地球引力将不足以为其做圆周运动提供向心力，物体将会脱离地球引力，离开地球。这个速度为v=11．2km/s。我们把v=11．2km/s叫做第二宇宙速度。如果发射速度大于第一宇宙速度，而小于第二宇宙速度，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。

3．第三宇宙速度

物体脱离地球引力的束缚后，还会受到太阳引力的束缚。若抛出的速度足够大，物体还将脱离太阳引力的束缚，飞向太阳系之外的宇宙空间。这个速度v=16．7vkm/s。这个速度叫做第三宇宙速度。

卫星运行的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

探究：目前为止，人类发射的人造地球卫星已经有几千颗了，这些卫星运行的快慢不同，

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那么卫星运行的快慢与什么因素有关呢？

学生可能的答案：质量、轨道半径……

我们将不同轨道上的卫星绕地球运动都看成是匀速圆周运动，则有

可得：

结论：线速度、角速度、周期都与卫星的质量无关，仅由轨道半径决定。

当卫星环绕地球表面运行时，轨道半径最小为地球半径（r=R），此时线速度最大，角速度最大，周期最小。则

=7．9km/s

=1．24×10-3rad/s

=84min

即卫星绕地球运行的最大速度为7．9km/s。

人造卫星的发射速度与运行速度

（播放嫦娥一号发射的模拟视频，让学生了解卫星发射的全过程，学生也将对发射速度和运行速度有一个了解。）

1．发射速度

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。

2．运行速度

运行速度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。

（四） 梦想成真

学生先阅读，然后教师简述补充。（借助于多媒体，一边向学生展示，一边介绍，注意情感态度与价值观目标的实现。）

其实早在六百多年前的明朝，一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举，但最终未能成功，并为之付出了生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个，因此他被世界公认为“真正的航天始祖”，为了纪念这位世界航天始祖，世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。

19世纪中叶，俄罗斯学者，齐奥尔科夫斯基，提出利用喷气推进的多级火箭，运载发射卫星。

1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。

1961年4月12日，世界上第一次载人飞行，苏联。

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1969年7月16日，人类第一次登上月球，美国。

1970年，中国第一颗人造卫星发射成功。

2003年10月15日，中国第一次载人飞行。

2007年，嫦娥一号成功发射。

2008年9月25日，神七问天 ，是中国第三个载人航天飞船。突破和掌握出舱活动相关技术。

2011年11月1日，神舟八号升空，神八”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空间交会对接。这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。

让学生具有振兴中华的使命感与责任感

播放一段世界和中国的航天史实。让同学感想到：我们是祖国的未来的希望，现在需要努力学习科学文化知识，将来为祖国的航天事业做贡献。要培养学生坚韧不拨、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。这些策略在本案例中得到了体现。

然而人类对宇宙的探索并不是一帆风顺的，无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。

1986年1月28日，美国，挑战者号航天飞机升空后爆炸，七名宇航员遇难。

2003年2月1日，美国，哥伦比亚号航天飞机返航时爆炸，七名宇航员遇难。

（五）课堂小结

尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮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。宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？这些都是留给大家待以解决的问题。

（六）练习反馈，拓展延伸：

例1 设地球的质量不变,而地球半径增加为原来的2倍,那么从地球发射的第一宇宙速度的大小应为原来的 ( )

A.

2 倍 B.2倍 C½.倍 D.2倍

2例2 关于宇宙速度，下列说法正确的是（ ）

A.第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度

B.第一宇宙速度使人造地球卫星绕地球飞行的最小速度

C.第二宇宙速度使卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度

D.第三宇宙速度时发射人造地球卫星的最小速度

（七）小结与作业布置作业

1.航天事业正改变着人类的生活，请你到网上查阅，近几年的航天大事的资料，阐述你的观点，与同学交流。

2.课本44页1、3题。

结束语：尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……宇宙留给人们的思考深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？爱因斯坦曾经说过:“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。”你想加入破解他的行列吗？努力学习吧！

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