資源簡(jiǎn)介

7.4《宇宙航行》導(dǎo)學(xué)案
一、核心素養(yǎng)
物理觀念：知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度，認(rèn)識(shí)同步衛(wèi)星的特點(diǎn)。
科學(xué)思維：通過(guò)對(duì)比“同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、地球赤道上物體”的運(yùn)行規(guī)律，提高推理及分析綜合能力。
科學(xué)探究：通過(guò)對(duì)比“同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、地球赤道上物體”的運(yùn)行規(guī)律，提高推理及分析綜合能力．
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：了解人造衛(wèi)星的相關(guān)知識(shí)和我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射的情況以及人類(lèi)對(duì)太空的探索歷程，了解我國(guó)火箭技術(shù)及人造衛(wèi)星和飛船發(fā)射等的研究情況，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情。
二、教學(xué)重難點(diǎn)
重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)。
難點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)；環(huán)繞速度與發(fā)射速度的區(qū)分
教學(xué)環(huán)節(jié)
[導(dǎo)入]
[主干知識(shí)導(dǎo)引]
[概念梳理 夯實(shí)基礎(chǔ)]
1.牛頓的設(shè)想
如圖所示，在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓設(shè)想：把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)，拋出速度足夠大時(shí)，物體就不會(huì)落回地面，成為人造地球衛(wèi)星。
2.第一宇宙速度的推導(dǎo)
(1)已知地球質(zhì)量m地和半徑R，物體繞地球的運(yùn)動(dòng)可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)有引力提供物體運(yùn)動(dòng)所需的向心力，即＝m，可得v＝.
(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半徑R，由mg＝m得：v＝.
(3)三個(gè)宇宙速度及含義
數(shù)值 意義
第一宇 宙速度 7.9 km/s 物體在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度
第二宇 宙速度 11.2 km/s 在地面附近發(fā)射飛行器使物體克服地球引力，永遠(yuǎn)離開(kāi)地球的最小地面發(fā)射速度
第三宇 宙速度 16.7 km/s 在地面附近發(fā)射飛行器使物體掙脫太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系外的最小地面發(fā)射速度
3.人造地球衛(wèi)星
（1）動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)
一般情況下可認(rèn)為人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由地球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供．
（2）衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律
由G＝m可得v＝.
（3）同步衛(wèi)星：地球同步衛(wèi)星位于赤道上方高度約36 000 km處，因相對(duì)地面靜止，也稱靜止衛(wèi)星．地球同步衛(wèi)星與地球以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同．
[知識(shí)總結(jié)]
[拔高認(rèn)知 突破瓶頸]
發(fā)射同步衛(wèi)星需要有高超的技術(shù)，一般先用多級(jí)火箭，將衛(wèi)星送入近地圓形軌道1，此軌道稱為初始軌道；當(dāng)衛(wèi)星飛臨赤道
上空時(shí)，控制火箭再次點(diǎn)火，短時(shí)間加速，
衛(wèi)星就會(huì)按橢圓軌道2（也稱轉(zhuǎn)移軌道）
運(yùn)動(dòng)；衛(wèi)星飛臨遠(yuǎn)地點(diǎn)P時(shí)，再次點(diǎn)火加速，
衛(wèi)星就最后進(jìn)入相對(duì)地球靜止（同步）
的軌道3。
[隨堂快練]
1.（多選）下列關(guān)于三種宇宙速度的說(shuō)法中正確的是(　　)
A.人造衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度于或等于7.9km/s、小于11.2 km/s
B.火星探測(cè)衛(wèi)星的發(fā)射速度大于16.7km/s
C.第二宇宙速度是在地面附近使物體可以掙脫地球引力束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度
D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度
答案　CD
解析　根據(jù)v＝可知，衛(wèi)星的軌道半徑r越大，即距離地面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星的環(huán)繞速度越小，7.9km/s是人造地球衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度，選項(xiàng)D正確；實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，故衛(wèi)星繞地球在圓軌道上運(yùn)行時(shí)的速度都小于第一宇宙速度，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；火星探測(cè)衛(wèi)星仍在太陽(yáng)系內(nèi)，所以其發(fā)射速度小于第三宇宙速度，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；第二宇宙速度是使物體掙脫地球引力束縛而成為太陽(yáng)的一顆人造行星的最小發(fā)射速度，選項(xiàng)C正確。
2.(多選)“靜止”在赤道上空的地球同步氣象衛(wèi)星把廣闊視野內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)發(fā)回地面，為天氣預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確、全面和及時(shí)的氣象資料.設(shè)地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，下列說(shuō)法中正確的是(　　)
A.同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍
B.同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是第一宇宙速度的
C.同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)獲得的速度的
D.同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的(忽略地球的自轉(zhuǎn))
答案　AB
解析　地球同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球半徑的n倍，所以同步衛(wèi)星距地面的高度是地球半徑的(n－1)倍，A正確；由萬(wàn)有引力提供向心力即＝，得v＝，r＝nR，第一宇宙速度v′＝，所以同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是第一宇宙速度的，B正確；同步衛(wèi)星與地球赤道上的物體具有相同的角速度，根據(jù)v＝rω知，同步衛(wèi)星的運(yùn)行速度是地球赤道上物體隨地球自轉(zhuǎn)獲得的速度的n倍，C錯(cuò)誤；根據(jù)＝ma，得a＝＝，則同步衛(wèi)星的向心加速度是地球表面重力加速度的，D錯(cuò)誤.
3.如圖所示，A為地面上的待發(fā)射衛(wèi)星，B為近地圓軌道衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星.三顆衛(wèi)星質(zhì)量相同，三顆衛(wèi)星的線速度大小分別為vA、vB、vC，角速度大小分別為ωA、ωB、ωC，周期分別為T(mén)A、TB、TC，向心加速度大小分別為aA、aB、aC，則(　　)
A.ωA＝ωC<ωB
B.TA＝TCC.vA＝vCD.aA＝aC>aB
答案　A
解析　同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，故TA＝TC，ωA＝ωC，由v＝ωr及a＝ω2r得
vC>vA，aC>aA
對(duì)同步衛(wèi)星和近地衛(wèi)星，根據(jù)＝m＝mω2r＝mr＝man，知vB>vC，ωB>ωC，TBaC.
故可知vB>vC>vA，ωB>ωC＝ωA，TBaB>aC>aA.選項(xiàng)A正確，B、C、D錯(cuò)誤。
[課后拓展]

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