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7.4宇宙航行
〖教材分析〗
本节主要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、第三宇宙速度和同步卫星的特点。介绍人们在应用万有引力定律研究天体运动的基础上，实现了人类的航天梦想，是人类征服自然的见证体现的理论联系实际，理论指导实际的唯物思想。还介绍了我国的航天事业，激发学的爱国主义热情。让学生在学习物理的过程中感受到物理就在我们身边与生活时刻联系在一起，能够培养学生学习物理的兴趣，激发学生献身科学的热情，对学生科学价值观的形成将起到重要的作用。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立宇宙太空运动观念，知道三个宇宙速度的含义，会推导第一字宙速度，了解人造卫星发射的过程和原理。
科学思维：体会在处理实际问题时，如何构建物理模型。
科学探究：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。
科学态度与责任：关心我国航天事业的发展趋势，有为社会服务的意识。
〖教学重点与难点〗
- 重点：会推导第一字宙速度，了解人造卫星发射的过程和原理。
难点：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。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
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？
我们一起来设想一下，做平抛运动的物体初速度越大飞得越远，如果地面时一个平面初射速度再大，飞行得再远但最终都会掉回地面。我们要知道地球是圆的，这样物体就有可能不再落回地面，并且地球对它的引力时刻指向地心，在这个力的作用下如果发射速度合适，轨迹就有可能是一个圆。现在我们就来看一下，要想达到这种效果这个速度应该有多大？
二、新课教学
（一）宇宙速度
设地球的质量为m地，物体的质量为m，速度为v它到地心的距离为r。
环绕法：万有引力提供物体作圆周运动的向心力
<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>
由此解岀 <Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
只要知道地球的质量m地和物体做圆周运动的轨道半径r, 就可以求出物体绕行速度的大小。已知地球质量为5.98×1024 kg,近地卫星在100〜200 km 的高度飞行，远小于地球半径(6400 km ),可以近似用地球半径R代替卫星到地心的距离r。
把数据代入上式后算出v=7.9km/s。
思考与讨论
有人说，第一宇宙速度也可用<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>(式中g为重力加速度,R为地球半径)算出,你认为正确吗？
拱桥法：当支持力为0时，重力提供物体作圆周运动的向心力。
指向圆心的力-背向圆心的力=向心力
<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>
当力FN=0时得： <Object: word/embeddings/oleObject5.bin>
由此解岀<Object: word/embeddings/oleObject6.bin>，把数据带进去<Object: word/embeddings/oleObject7.bin>。两种计算方法得出的数值是一样的。
物体在地面附近（刚好贴着地球表面）绕地球做匀速圆周运动的速度。我们称为
1.第一宇宙速度（环绕）：v1=7.9km/s
注意这里是刚好贴着地面飞行，地面附近存在着大量的空气，会有空气阻力等阻碍因素，所以卫星不可能只在这个高度上的轨道飞行。一般会在这个更高的轨道飞行。
思考：想到达更高的轨道飞行，怎么办呢？
（播放动图）这个速度它只能达到这里，要想更高的话，那就需要更大的速度吧。换个角度来看好比如竖直上抛运动，比较小的7.9km/s速度发射，刚好达到A点这个平面，要到达B点这个平面，那速度就要更大一些。如果速度小于7.9km/s，它够不着A这个平面，那就会掉回地面。所以
①7.9km/s为卫星的最小发射速度。
根据开普勒第二定律，我们知道物体在靠近中心天体的点速度最大，在远离中心天体的点速度最小。所以是v甲>v乙。但是甲乙两个点同时还是正圆轨道上的点。这样子再看还是v甲>v乙，所以轨道低的速度大，最低的轨道就是贴着地面的轨道，这个轨道上的速度是7.9km/s。所以
②7.9km/s是卫星的最大环绕速度。
由<Object: word/embeddings/oleObject8.bin>，得<Object: word/embeddings/oleObject9.bin>，观察式子可以看到地球质量不变的前提下，轨道半径越大，速度越小。
同理由<Object: word/embeddings/oleObject10.bin>，得<Object: word/embeddings/oleObject11.bin>，观察式子可以看到地球质量不变的前提下，轨道半径越大，角速度越小。
同理由<Object: word/embeddings/oleObject12.bin>，得<Object: word/embeddings/oleObject13.bin>，观察式子可以看到地球质量不变的前提下，轨道半径越大，周期越大。
同理由<Object: word/embeddings/oleObject14.bin>，得<Object: word/embeddings/oleObject15.bin>，观察式子可以看到地球质量不变的前提下，轨道半径越大，加速度越小。
由以上公式可知：随着卫星运行轨道半径的增大，其线速度、角速度和向心加速度逐渐减小，周期逐渐增大。所以结论：
③高轨低速长周期。这里的速就包括线速度、角速度和向心加速度。
地球引力像一根无形的“绳子”，牵引着月球和人造地 球卫星环绕地球转动。在地面附近发射飞行器，如果速度等于7.9 km/s,这一飞行器只能围绕地球做圆周运动,还不能脱离地球引力的束缚，飞离地球实现星际航行。
问题：如果速度继续增大,物体将会怎样?
理论研究指出，在地面附近发射飞行器，如果速度大于7.9km/s,又小于11.2km/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11.2km/s时, 它就会克服地球的引力，永远离开地球。
- 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。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16.7km/s, 这个速度叫作第三宇宙速度。即
使卫星挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度。这三个宇宙与速度都是相对地心的，把三个宇宙速度放在一起比较。
（二）人造地球卫星
1957年10月4日，此界上第一颗人造地球卫星发射成功。 1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红1号” 发射成功（播放东方红歌曲），开创了中国航天史的新纪元。为我国航天事业作出特殊贡献的科学家钱学森被誉为“中国航天之父。
非常特殊的卫星：同步卫星。地球同步卫星位于赤道上方高度约36000 km处， 由于与地球相对静止，所以具有这样的特点：
①轨道一定在赤道上空，轨道半径r=42400km
②w、T与地球自转相同，T=24h=86400s，<Object: word/embeddings/oleObject16.bin>
③w、T、r、v、a都是确定的
（三）载人航天与太空探索
1.1961年4月12日，苏联航天员加加林进入称为第一个进入太空的人类。
2.1969年阿波罗登月，阿姆斯特朗说了那名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言,却是巨大飞E跃。”
3.2003年杨利伟称为我国第一进入太空的人。
4.一直到最近的一次是2020年12月7日嫦娥带着月壤成功返回地球（播放毛主席语录）。
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。
〖板书设计〗
7.4宇宙航行
环绕法：万有引力提供物体作圆周运动的向心力
<Object: word/embeddings/oleObject17.bin>
拱桥法：当支持力为0时，重力提供物体作圆周运动的向心力。
指向圆心的力-背向圆心的力=向心力
<Object: word/embeddings/oleObject18.bin>
当力FN=0时得： <Object: word/embeddings/oleObject19.bin><Object: word/embeddings/oleObject20.bin>
1.第一宇宙速度（环绕）：v1=7.9km/s
①7.9km/s为卫星的最小发射速度。
②7.9km/s是卫星的最大环绕速度。
二、人造地球卫星
同步卫星的特点：
①轨道一定在赤道上空，轨道半径r=42400km
②w、T与地球自转相同，T=24h=86400s，<Object: word/embeddings/oleObject21.bin>
③w、T、r、v、a都是确定的
三、载人航天与太空探索
〖教学反思〗
- 学生已经学习过平抛运动、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。难就难在对人造卫星原理的理解，因此在教学过程中把该原理分散在各个环节里，降低困难的坡度，让学生能够通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。
- 本教案中给出两种求解第一宇宙速度的方法，也就和前面求解天体质量的两种方法相对应。对于宇宙速度，比较难讲清楚的是发射速度和环绕速度问题。总之本教案设计内容丰富，安排合理，符合新的教学理念。
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