《5、宇宙航行》新课程高中物理优质课比赛教学设计.doc

5、宇宙航行 一、教学目标 1．知识与技能： (1)了解三个宇宙速度意义。 (2)能够推导第一宇宙速度。 (3)简单了解航空发展史。 2．过程与方法： (1)学习牛顿关于人造地球卫星的设想的推理方法 (2)学会推导第一宇宙速度的两种方法 3．情感态度与价值观： (1)培养学生的科学探索精神。 (2)激发学生热爱科学的热情。 二、教学重点、难点 1．教学重点及其教学策略： 重 点：了解宇宙速度及其物理意义 教学策略：通过航天器的发射、升空、变轨的录像引入宇宙速度概念的意义。 2．教学难点及其教学策略： 难 点：第一宇宙速度的推导、关于第一宇宙速度是运行的最大值与发射的最小值。 教学策略：利用万有引力定律去正确理解天体运动的动力学关系 三、设计思路 2003年10月15日9时整，神州5号载人飞船发射成功，将中国第一名航天员送上太空,它标志着中国进入了载人航天时代，为中华民族进一步进行太空资源的开发和利用奠定了坚实的基础。本节内容本着激发学生学习兴趣，拓宽知识面的角度开展教学，让学生了解航空航天发展及中国的航天事业的发展概况。 四、教学资源 1．视频剪辑：杨利伟太空生活自拍剪辑、神舟5号发射视频剪辑。 2．多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 五、教学设计 教师活动 学生活动 目标 引入新课 1957年10月4日，苏联用三级火箭发射了世界上的第一颗人造地球卫星——“旅行者”1号，人类开始迈入航天时代。 问题：人类步入太空得益于物理学中的万有引力定律的贡献？它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。 学生思考：万有引力定律对天文学的贡献。 让学生真正感受到什么是科学，什么是科技。使学生明白科技服务于生活的道理。 2003年10月15日，“神舟”5号飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空，标志着我国进入了载人航天时代。 播放“神舟”5号发射升空的视频剪辑录像。 问题：神舟5号飞船升空过程大致有几个过程？ 问题：飞船怎样才能进入近地圆轨道？ 背景：牛顿提出一个著名的思想实验：从高山顶水平抛出一个铅球，当抛出速度足够大时，铅球将环绕地球运动，成为一个“小月亮” 问题：牛顿思想的基础是什么？ 一、第一宇宙速度 人造卫星就像一个小月亮，能在一定的轨道上绕地球运动。为简化起见，假设卫星绕地球做匀速圆周运动。 问题：“什么力”提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。 假设卫星地球和卫星的质量分别为M与m，卫星的轨道半径为r，（如图所示）则卫星在轨道上的运行速度是多少？ 问题：若地球质量M约为6×1024kg，地球平均半径为6400km，人造卫星的半径约为地球半径即近地卫星，则其运动速度是多少？（G=6.67×10-11N·m2/kg2） 卫星运行速度 代入数据：v=7.9km/s 问题：近球卫星所受的万有引力即在地表所受的重力，则卫星可以做圆周运动的向心力也可理解为重力提供向心力。从这要方向试求近地卫星的运行速度。 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，叫做第一宇宙速度，又叫环绕速度。 问题：在“牛顿预言”中若水平抛出的物体速度（相当于卫星的发射速度）至少多大才能围绕地球作圆周运动呢？ 2、第一宇宙速度是发射速度中的最小值。发射速度小于该值则物体定会因“平抛”而“落地”。 问题：围绕地球运行的卫星轨道半径r大的其运行速度 （“大”或“小”） 3、第一宇宙速度是围绕地球做圆周运动卫星的运动速度中的最大值。 问题：如果航天器的发射速度大于7.9km/s将如何运动呢？ 理论研究指出，如果航天器的（近地）发射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s，它的轨道不再是圆而是围绕地球运动的一个椭圆。速度越大，椭圆轨道越“扁”（如图所示）当发射速度达到11.2km/s时就能脱离地球的引力束缚，“离开”地球。 二、第二宇宙速度：当物体的速度等于或大于 11.2km/s，它就会离开地球，我们把11.2km/s叫做第二宇宙速度，又叫脱离速度。 知识拓展： 根据机械能守恒 ?r为地球引力以外的某点到地球的距离，显然r→所以 第二宇宙速度 =11.2(km/s) 三、第三宇宙速度：在地面附近发射一个物体，要使物体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16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度。 知识拓展：太阳质量为M0，太阳中心到地球中心的距离为R0，类似于第二宇宙速度计算可以有： 　　＝42.2km/s 由于地球绕太阳公园的速度为29.8km/s 所以相对地球只要: ＝42.2-29.8=12.4(km/s)发射，但考虑到地球引力存在，必须克服地球引力做功，所以： 而 式中v2是第二宇宙速度，将此式代入上式，第三宇宙速度： v3=16