高中物理宇宙航行学案

这是一份高中物理宇宙航行学案，共6页。学案主要包含了核心素养，教学重难点等内容，欢迎下载使用。
课型：新授课
一、核心素养
物理观念：知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度，认识同步卫星的特点。
科学思维：通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运行规律，提高推理及分析综合能力。
科学探究：通过对比“同步卫星、近地卫星、地球赤道上物体”的运行规律，提高推理及分析综合能力．
科学态度与责任：了解人造卫星的相关知识和我国卫星发射的情况以及人类对太空的探索历程，了解我国火箭技术及人造卫星和飞船发射等的研究情况，激发学生的爱国热情。
二、教学重难点
重点：第一宇宙速度的推导。
难点：第一宇宙速度的推导；环绕速度与发射速度的区分
教学环节
[导入]
观看视频嫦娥奔月的运行过程
牛顿的手稿
[主干知识导引]
[概念梳理 夯实基础]
1.牛顿的设想
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。
2.第一宇宙速度的推导
(1)已知地球质量m地和半径R，物体绕地球的运动可视为匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所需的向心力，即eq \f(Gmm地,R2)＝meq \f(v2,R)，可得v＝eq \r(\f(Gm地,R)).
(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由mg＝meq \f(v2,R)得：v＝eq \r(gR).
(3)三个宇宙速度及含义
3.人造地球卫星
（1）动力学特点
一般情况下可认为人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其向心力由地球对它的万有引力提供．
（2）卫星环绕地球运动的规律
由Geq \f(Mm,r2)＝meq \f(v2,r)可得v＝eq \r(\f(GM,r)).
（3）同步卫星：地球同步卫星位于赤道上方高度约36 000 km处，因相对地面静止，也称静止卫星．地球同步卫星与地球以相同的角速度转动，周期与地球自转周期相同．
[知识总结]
[拔高认知 突破瓶颈]
发射同步卫星需要有高超的技术，一般先用多级火箭，将卫星送入近地圆形轨道1，此轨道称为初始轨道；当卫星飞临赤道
上空时，控制火箭再次点火，短时间加速，
卫星就会按椭圆轨道2（也称转移轨道）
运动；卫星飞临远地点P时，再次点火加速，
卫星就最后进入相对地球静止（同步）
的轨道3。
[随堂快练]
1.（多选）下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是( )
A.人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度于或等于7.9km/s、小于11.2 km/s
B.火星探测卫星的发射速度大于16.7km/s
C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度
D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度
答案 CD
解析 根据v＝eq \r(\f(GM,r))可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度，选项D正确；实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；火星探测卫星仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球引力束缚而成为太阳的一颗人造行星的最小发射速度，选项C正确。
2.(多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料.设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，下列说法中正确的是( )
A.同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍
B.同步卫星的运行速度是第一宇宙速度的eq \r(\f(1,n))
C.同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的eq \f(1,n)
D.同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的eq \f(1,n)(忽略地球的自转)
答案 AB
解析 地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，所以同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍，A正确；由万有引力提供向心力即eq \f(GMm,r2)＝eq \f(mv2,r)，得v＝eq \r(\f(GM,r))，r＝nR，第一宇宙速度v′＝eq \r(\f(GM,R))，所以同步卫星的运行速度是第一宇宙速度的eq \r(\f(1,n))，B正确；同步卫星与地球赤道上的物体具有相同的角速度，根据v＝rω知，同步卫星的运行速度是地球赤道上物体随地球自转获得的速度的n倍，C错误；根据eq \f(GMm,r2)＝ma，得a＝eq \f(GM,r2)＝eq \f(GM,n2R2)，则同步卫星的向心加速度是地球表面重力加速度的eq \f(1,n2)，D错误.
3.如图所示，A为地面上的待发射卫星，B为近地圆轨道卫星，C为地球同步卫星.三颗卫星质量相同，三颗卫星的线速度大小分别为vA、vB、vC，角速度大小分别为ωA、ωB、ωC，周期分别为TA、TB、TC，向心加速度大小分别为aA、aB、aC，则( )
A.ωA＝ωCaA
对同步卫星和近地卫星，根据eq \f(GMm,r2)＝meq \f(v2,r)＝mω2r＝meq \f(4π2,T2)r＝man，知vB>vC，ωB>ωC，TBaC.
故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TBaC>aA.选项A正确，B、C、D错误。
人造卫星的变轨与对接
[课后拓展]
数值
意义
第一宇
宙速度
7.9 km/s
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度
第二宇
宙速度
11.2 km/s
在地面附近发射飞行器使物体克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度
第三宇
宙速度
16.7 km/s
在地面附近发射飞行器使物体挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度