7.4宇宙航行 教学设计-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

教学评一体化课时备课模板 课题 宇宙航行 课时 1 所在教材与单元 统编版（2019）必修 第二册-第七章 课型 新授 学习目标 一、物理观念 学生需掌握宇宙航行涉及的基本运动与力学知识，理解万有引力提供向心力是卫星绕地运动的根本原因，明晰重力场特性与天体运动规律，认识到物体自转和公转对行星运动的影响，熟练运用速度、加速度计算方法，把握宇宙航行中速度与加速度的特点，如第一宇宙速度是卫星绕地做圆周运动的最大环绕速度，也是最小发射速度。 二、科学思维 培养学生运用物理思维分析宇宙航行问题的能力，从牛顿设想发射人造卫星的情境出发，引导学生理解其背后的科学原理，激发学生对宇宙探索的兴趣，使其学会从科学角度看待宇宙现象，如分析不同轨道卫星的线速度、角速度、周期等物理量变化规律，提升逻辑推理与抽象思维能力。 三、科学探究 借助模拟卫星发射实验、观测天文现象等活动，培养学生科学实验与观测能力，让学生了解宇宙探索的方法与技术，引导学生关注航天技术发展动态，如我国嫦娥系列探月工程、天问一号火星探测任务等，知晓未来宇宙探索计划，增强学生对科学探究过程的体验与理解。 四、科学态度与责任 通过介绍人类宇宙探索历程中遭遇的困难与取得的成就，培养学生严谨科学态度与责任感，使其明白科学技术发展对人类社会进步的重要性，引导学生正确认识宇宙资源开发与环境保护问题，树立可持续发展观念，增强民族自豪感与对科学事业的使命感 。 重难点 重点在于理解并运用宇宙速度概念，掌握人造地球卫星运行规律，包括轨道分类、不同轨道卫星物理量比较以及地球同步卫星特点；难点是第一宇宙速度的推导，卫星变轨过程中速度、能量变化分析，以及多星系统中万有引力与圆周运动的综合应用 。 教学环节 学习活动 新课教学 导入新课 师：上课，同学们好，请坐。 师：同学们，在上课之前呢，老师先给大家播放一段视频，大家认真观看，想一想视频中展现的是什么？ （播放视频：宇航员在太空生活的片段） 师：好，视频播放完了，哪位同学来说一说视频中展现的是什么？ 生：宇航员在太空生活的片段。 师：很好，那老师想问大家，宇航员想要在太空生活，必须要借助什么呢？ 生：宇宙飞船。 师：没错，那宇宙飞船又是如何发射升空的呢？这就是我们本节课要学习的内容——宇宙航行。 讲授新课 师：我们先来看第一个问题，宇宙速度。那大家想不想知道宇宙速度是如何规定的呢？ 生：想。 师：其实啊，宇宙速度它是人造天体在宇宙空间中的运动速度，它是根据人造天体环绕地球表面、脱离地球和飞出太阳系所需要的飞行速度而确定的。那接下来我们就来具体分析一下宇宙速度。 师：我们先来看第一宇宙速度。请大家结合教材思考这样一个问题：物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做什么？ 生：第一宇宙速度。 师：没错，那第一宇宙速度的大小是多少呢？ 生：7.9km/s。 师：好，那老师想问大家，第一宇宙速度它有什么特点呢？也就是说，它是人造地球卫星在什么样的条件下所具有的速度？ 生：它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度，也是人造卫星在圆轨道上运行的最大速度。 师：很好，同时也是卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度，大家一定要记清楚这几个“最”。那老师还想问大家，卫星的轨道半径如果大于地球半径，它的运行速度会发生怎样的变化呢？ 生：运行速度会小于7.9km/s。 师：很好，那大家有没有想过，为什么发射速度不能小于7.9km/s呢？如果小于这个值，又会发生什么呢？ 生：如果发射速度小于7.9km/s，由于地球引力作用，人造卫星将落回地面。 师：没错，大家理解得非常好。其实啊，我们还可以利用第一宇宙速度来计算地球的质量，这是万有引力定律的一个重要应用，大家要掌握这种方法。 师：好，那接下来我们来看第二宇宙速度。请大家结合教材思考：物体挣脱地球引力束缚，离开地球所需的最小发射速度叫做什么？ 生：第二宇宙速度。 师：很好，那第二宇宙速度的大小是多少呢？ 生：11.2km/s。 师：没错，当卫星的速度达到或超过11.2km/s时，它就可以挣脱地球的引力，围绕太阳飞行，成为人造行星。那大家有没有想过，如果卫星的速度小于第二宇宙速度，但是大于第一宇宙速度，它将会做怎样的运动呢？ 生：卫星将绕地球沿椭圆轨道运动。 师：非常好，那大家有没有见过这样的卫星呢？ 生：有，比如地球同步卫星，还有极地卫星等等。 师：没错，这些卫星都是以椭圆轨道绕地球运行的，它们的速度都介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间。 师：老师想问大家，人造卫星绕地球做匀速圆周运动时，它的线速度大小可能是第一宇宙速度的2倍吗？ 生：不可能。 师：为什么呢？ 生：因为当卫星的线速度增大到某一值时，卫星将做离心运动，轨道半径增大，人造卫星运行的线速度将随轨道半径的增大而减小，所以它的线速度大小不可能为第一宇宙速度的2倍。 师：非常好，大家理解得非常透彻。其实啊，我们还可以利用万有引力提供向心力这一思路，通过列式求解来验证这一结论，大家课后可以尝试一下。 师：好，那接下来我们来看第二个问题，宇宙航行的基本原理。请大家结合教材思考这样一个问题：宇宙航行的基本原理是什么呢？ 生：万有引力提供向心力。 师：没错，这是宇宙航行的一个基本原理。那大家有没有想过，这个原理它是如何得出的呢？ 生：它是根据牛顿的万有引力定律和牛顿第二定律得出的。 师：很好，那大家能不能根据这个原理，推导出人造卫星的线速度、角速度、周期和向心加速度与轨道半径的关系呢？ 生：可以。 师：好，那大家现在就来推导一下吧，注意公式的准确性和推导过程的条理性。 （学生推导公式，教师巡视指导） 生：人造卫星的线速度、角速度和向心加速度都随轨道半径的增大而减小，而周期则随轨道半径的增大而增大。 师：没错，这就是人造卫星的运动规律。那大家有没有想过，这个规律它有什么应用呢？ 生：我们可以利用这个规律来计算卫星的轨道半径、线速度、角速度、周期和向心加速度等物理量，还可以利用这个规律来分析卫星的运动状态，比如卫星是靠近地球还是远离地球等等。 师：非常好，大家理解得非常透彻。其实啊，宇宙航行的基本原理还可以应用于卫星的发射和回收过程中，比如我们可以根据卫星的发射速度和轨道半径来确定卫星的发射方向，还可以根据卫星的回收速度和轨道半径来确定卫星的回收位置等等。 巩固练习 例题：已知地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的角速度为ω，求地球同步卫星的线速度v和高度h。 某星球的质量约为地球的9倍，半径约为地球的一半。若一物体在地球表面所受重力为16N，则该物体在该星球表面所受的重力是多少？ 师：好，那接下来我们来做几道练习题，巩固一下本节课所学的知识。 1. 关于宇宙速度，下列说法正确的是（ ） A. 第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度 B. 第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球做椭圆轨道运行的最大速度 C. 人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的速度一定大于第一宇宙速度 D. 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第二宇宙速度 师：好，现在大家已经做完了，我们来看一下答案。正确答案是A和B。第一宇宙速度确实是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度，同时也是人造卫星在圆轨道上运行的最大速度，无论卫星的轨道是圆还是椭圆，这个结论都是成立的。而C选项是错误的，因为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的速度一定小于或等于第一宇宙速度，不可能大于第一宇宙速度。D选项也是错误的，因为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，而不是第二宇宙速度。大家明白了吗？ 2. 某颗地球同步卫星离地面的高度为h，若地球半径为R，地球表面的重力加速度为g，地球自转的角速度为ω0，则下列说法正确的是（ ） A. 该卫星的运行速度大小为ω0R B. 该卫星的运行速度小于第一宇宙速度 C. 该卫星的向心力大小为mg D. 地球对该卫星的万有引力大小为mg（R+h）/R² 师：好，现在大家已经做完了，我们来看一下答案。正确答案是B和D。对于A选项，我们需要知道同步卫星的线速度v=ω0（R+h），而不是ω0R，所以A选项是错误的。B选项是正确的，因为同步卫星的轨道半径大于地球半径，根据万有引力提供向心力这一原理，我们可以得出同步卫星的运行速度一定小于第一宇宙速度。C选项是错误的，因为同步卫星离地面的高度为h，所以它所受的重力并不等于万有引力，也就不能直接用mg来表示它的向心力。D选项是正确的，因为地球对卫星的万有引力大小可以根据万有引力定律来计算，得出F=GMm/（R+h）²，又因为地球表面的物体受到的重力等于万有引力，即mg=GMm/R²，所以我们可以得出F=mg（R+h）/R²。大家明白了吗？ 课堂小结 师：好，到现在为止，我们已经学习完了本节课的所有内容。那大家来回顾一下，本节课我们主要学习了哪些知识点呢？ 生：我们主要学习了宇宙速度的概念和分类，以及宇宙航行的基本原理和人造卫星的运动规律。 师：没错，这些都是本节课的重点内容。那大家还有没有什么疑问呢？可以提出来，我们一起讨论一下。 生：老师，我有一个疑问，就是人造卫星在运行过程中，会不会受到其他天体的引力影响呢？ 师：这个问题问得也很好。确实，人造卫星在运行过程中，会受到其他天体的引力影响，比如月球、太阳等。但是，由于地球的质量远远大于其他天体在卫星所在位置处的质量，所以地球对卫星的引力会远远大于其他天体对卫星的引力。因此，在大多数情况下，我们可以忽略其他天体对卫星的引力影响。但是，在一些特殊情况下，比如卫星靠近月球或者太阳时，我们就需要考虑其他天体对卫星的引力影响了。 师：好，大家的问题都非常好，说明大家在学习过程中认真思考了。那接下来呢，我们就来做一个小结，来梳理一下本节课的知识点。 课堂小结 师：本节课我们主要学习了宇宙航行的相关知识，包括宇宙速度的概念和分类、宇宙航行的基本原理以及人造卫星的运动规律。我们知道了第一宇宙速度是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度，也是人造卫星在圆轨道上运行的最大速度；第二宇宙速度是物体挣脱地球引力束缚，离开地球所需的最小发射速度；同时，我们还学习了人造卫星的线速度、角速度、周期和向心加速度与轨道半径的关系，并掌握了如何利用这些关系来分析卫星的运动状态。 布置作业 师：好，那接下来呢，我就给大家布置一下本节课的作业。请大家完成教材上的课后习题，并预习下一节课的内容。同时呢，我还给大家准备了一个思考题：如果一个人造卫星的轨道半径突然增大，那么它的线速度、角速度、周期和向心加速度会发生怎样的变化呢？请大家认真思考并尝试解答。 习题 1. 人造卫星绕地球做匀速圆周运动时，下列说法正确的是（ ） A. 卫星的线速度越大，轨道半径越大 B. 卫星的角速度越大，轨道半径越大 C. 卫星的周期越大，轨道半径越大 D. 卫星的向心加速度越大，轨道半径越大 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$