6.5宇宙航行
6.5宇宙航行
2．关于人造地球卫星及其中物体的超重、 失重问题，下列说法正确的是（ A C ） A.在发射过程中向上加速时产生超重现象 B.在降落过程中向下减速时产生失重现象 C.进入轨道时作匀速圆周运动，产生 失重现象 D.失重是由于地球对卫星内物体的 作用力减小而引起的
变轨问题（离心向心运动） 变轨问题（离心向心运动）
3、神六变轨 、神六变轨
神六飞船入轨后先是在近地点200公里，远地点350公里的椭圆 公里，远地点 神六飞船入轨后先是在近地点 公里 公里的椭圆 轨道上运行，运行5圈时 然后变轨到距地面343公里的圆形轨道。 圈时， 公里的圆形轨道。 轨道上运行，运行 圈时，然后变轨到距地面 公里的圆形轨道 10月12日15时55分，北京航天飞控中心发出指令，启动神舟六 月 日 时 分 北京航天飞控中心发出指令， 号轨控发动机， 秒开始， 号轨控发动机，从15时54分45秒开始，发动机工作了 秒，飞船 时 分 秒开始 发动机工作了63秒 的运动已接近圆形，变轨成功了！ 的运动已接近圆形，变轨成功了！ Q
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度： (环绕速度） 第一宇宙速度： 环绕速度） 人造卫星
GM = 7.9km / s v1 = R
法二：v1 = gR = 7.9km / s
V3=16.7km/s V2=11.2km/s
2、第二宇宙速度： 第二宇宙速度： 脱离速度) (脱离速度)
v2 = 11.2km / s
重力=万有引力 向心力 重力 万有引力=向心力 万有引力
M m v mg′=G 2 = m r r
式中：r = R + h
2
g ′是高空h处的重力加速度
极地轨道
倾斜 轨道
赤道轨道 同步 轨道 自转轴
6.5问题导向式教学【教学设计】《宇宙航行》(人教)
《宇宙航行》蚌埠第二中学渠雷雷教学模式介绍以问题为导向的教学方法（problem-based learning，PBL），是基于现实世界的以学生为中心的教育方式，1969 年由美国的神经病学教授Barrows 在加拿大的麦克马斯特大学首创，目前已成为国际上较流行的一种教学方法。
以此类教学法出名的包括荷兰顶级大学马斯特里赫特大学等世界著名院校。
与传统的以学科为基础的教学法有很大不同，PBL 强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中的以教师讲授为主；PBL 将学习与更大的任务或问题挂钩，使学习者投入于问题中；它设计真实性任务，强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。
设计思路说明本节课利用“以问题为导向的教学方法(PBL)”教学模式，以问题为基础，以学生为主体，以教师为导向的启发式教育，以培养学生的能力为教学目标。
PBL教学法的精髓在于发挥问题对学习过程的指导作用，调动学生的主动性和积极性。
本节课的难点在于对人造卫星原理的理解，在设计中突出发挥学生的主体作用，课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。
教材分析宇宙航行不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。
因此，本节课是“万有引力定律与航天”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。
另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。
学生已学过平抛运动、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。
本节重点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。
人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。
必修2 6.5 宇宙航行 课件
解析: 设卫星绕地球做匀速圆周运动的周期为 T , 根据万有引力定律和牛 顿第二定律得 G
Mm (4R) 2
=m
v2 Mm , G 4 R (4R) 2
2 =m ( T
) ·4R
2
质量为 m ' 的物体在地球表面所受的重力等于万有引力大小, 即
G
Mm ' R2
=m ' g
R 1 联立以上三式解得 v= gR ,T=16π g 2
②确定的周期: 同步卫星的运转周期和地球自转周期相同, 即 T=24 h; ③确定的角速度: 同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度; ④确定的轨道平面: 所有的同步卫星都在赤道的正上方, 因为要与地 球同步, 同步卫星的轨道平面必须与赤道平面重合; ⑤确定的高度: 同步卫星的高度固定不变.
GMm 2 由 =m r( 2 T r
三、梦想成真
1957 年 10 月苏联成功发射了第一颗人造地球卫星; 1969 年 7 月美国阿波罗 11 号登上月球; 2003 年 10 月 15 日我国航天员杨利伟踏入太空.
四、经典力学的局限性
1. 从低速到高速 ( 1) 经典力学的基础是牛顿运动定律, 牛顿运动定律和万有引力 定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域, 包括天体力学的研究 中, 经受了实践的检验, 取得了巨大的成就. ( 2) 狭义相对论阐述物体以接近光的速度运动时所遵从的规律. ( 3) 在经典力学中, 物体的质量是不随运动状态改变的, 而狭义 相对论指出, 质量要随物体运动速度的增大而增大,
GM 答案: v= . Rh
(1) 第一宇宙速度是人造地球卫星的最大环绕速度, 也是最小发射速 度. (2) 宇宙速度是地球上满足不同要求的卫星发射速度, 三个宇宙速 度分别为三种不同情况下在地面附近的最小发射速度. (3) 运行速度 为人造卫星绕地球做圆周运动的环绕速度, 并不同于发射速度.
6.5《宇宙航行》课件(新人教版必修2)
已知：地球质量 ，半径R，卫星距地面高度h， 已知：地球质量M，半径 ，卫星距地面高度 ，引 力常量G 请你利用已学的知识 请你利用已学的知识， 力常量 .请你利用已学的知识， 探究卫星绕地球的运 行速度v 周期T与高度 的关系. 与高度h的关系 行速度 、周期 与高度 的关系
课堂练习
减速制动
月球探测卫星发射
（地球卫星的最小发射速度） 地球卫星的最小发射速度）
GM v= 或 v = gR R 第二宇宙速度（逃逸速度）： =11.2千米 ）：v 千米/ 第二宇宙速度（逃逸速度）：v =11.2千米/秒
（卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度） 卫星挣脱地球束缚变成小行星的最小发射速度）
Mm v2 mg = G 2 = m R R
专题学习网站
中国载人航天工程网： 中国载人航天工程网： 中国探月网： 中国探月网：/
韦纳·冯 布劳恩 韦纳 冯·布劳恩
第5节 宇 宙 航 行
4、 梦 想 成 真
历史放映厅：人类载人航天 年 历史放映厅：人类载人航天50年
课堂小结
1、宇宙速度： 宇宙速度
第一宇宙速度： 第一宇宙速度：v＝7.9km／s 是卫星发射的最小 7.9km／ 速 是卫星绕地球运行的最大速度。 度，是卫星绕地球运行的最大速度。 第二宇宙速度： 11.2km／ 第二宇宙速度：v＝11.2km／s，是卫星挣脱地球 束 缚的最小发射速度 第三宇宙速度: v＝16.7km／ 第三宇宙速度: v＝16.7km／s，是挣脱太阳束缚 的 最小发射速度。 最小发射速度。
月球
地月转移轨道
点火加速
地球
月 球 轨 道
我国发射的探月卫星“嫦娥一号”的轨道半径是圆形的， [例1] 我国发射的探月卫星“嫦娥一号”的轨道半径是圆形的， 且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1 80， 且贴近月球表面。已知月球质量约为地球质量的1/80，月球的半 径约为地球半径的1 地球第一宇宙速度约为7 km/s， 径约为地球半径的1/4，地球第一宇宙速度约为7.9km/s，求“嫦 娥一号”探月卫星绕月球运行的速率？ 娥一号”探月卫星绕月球运行的速率？
6.5 宇 宙 航 行 前置性学习设计汇总
课时6.5宇宙航行前置性学习设计【学习目标】1.了解人造地球卫星的最初构想。
2.会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。
3.知道三个宇宙速度的含义和数值,会推导第一宇宙速度。
4.了解人类及我国取得的航天成就。
【问题导学】问题1:计算第一宇宙速度问题:阅读教材“宇宙速度”标题下面的内容,回答下列问题。
(1)若已知G=6.67×10-11N·m2/kg2, 地球质量M=5.98×1024kg, 地球半径R=6400 km,则大炮至少以多大的水平初速度发射炮弹,炮弹才能绕地球表面运动不会落下来,成为地球的一颗卫星?(2)若地球质量未知,而知道地球表面处的重力加速度和地球半径,如何求得第一宇宙速度?问题2:发射速度和绕行速度问题:(1)发射速度和卫星绕地球运行的速度是不是同一速度?(2)将卫星送入低轨道和送入高轨道所需要的发射速度哪一个更大?(3)如果发射卫星的速度大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度,卫星运动轨道是怎样的?问题3:人造地球卫星的环绕速度与周期问题:(1)人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,那么它的向心力是由什么力提供的?(2)设地球质量为M,卫星质量为m,轨道半径为r。
人造卫星的运行速度与半径有什么关系?(3)人造卫星运行周期与轨道半径有怎样的关系?问题4:探索太空大事记问题:(1)1957年10月4日成功发射人类第一颗人造卫星的国家是哪一个?(2)1961年4月12日人类第一艘载人飞船进入太空,第一个进入太空的宇航员是谁?(3)1969年7月20日人类首次登上月球,此次登上月球的飞船叫什么?(4)1970年4月24日中国第一颗人造卫星发射成功,这颗卫星叫什么名字?(5)2003年10月15号中国第一艘载人飞船进入太空,这艘飞船叫什么?宇航员是谁?(6)2013年9月什么探测器经历36年旅程后飞出太阳系?【典例分析】例1、对卫星运动问题的分析1.如图所示,a 、b 、c 是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a 、b 质量相同且小于c 的质量,下列说法中正确的是( )。
高一物理教案6.5宇宙航行教案
班级：姓名：2、第二宇宙速度当物体的速度等于或大于时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，这个速度叫做第二宇宙速度，也叫速度。
这是卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度．如果人造天体的速度大于11.2km/s而小于16.7km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆，就成为该椭圆轨道的一个焦点．3.第三宇宙速度当卫星的速度等于或者大于,则这个时候卫星会脱离太阳的引力，不再绕太阳运行，而是飞到太阳系以外的地方，这个速度叫做第三宇宙速度，也叫速度。
二、人造卫星1、发射速度与运行速度是两个不同的概念（1）发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装置时的．①宇宙速度均指速度②第一宇宙速度是在地面卫星的速度，也是地球运行的速度（2）运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的．当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于宇宙速度．注意：卫星的实际运行速度一定发射速度．2、人造卫星的轨道（1）如图所示，a、b、c三轨道中可以作为卫星轨道的是哪几条？卫星的轨道必须是以为圆心的圆周轨道3、人造地球卫星的运行规律思考：对于绕地球运动的人造卫星：（1）离地面越高，向心力越（2）离地面越高，线速度越（3）离地面越高，周期越（4）离地面越高，角速度越（5）离地面越高，向心加速度越低轨、高速（线速度、角速度和加速度）周期短我们能否发射一颗周期为80min的卫星？[来源:三、地球同步卫星所谓地球同步卫星是指相对于地面的人造卫星，它在轨道上做匀速圆周运动，跟地球自转，它的周期：T＝练习:求同步卫星离地面高度地球同步卫星的特点:1、所有的同步卫星只能分布在的一个确定轨道上（静止轨道），即同步卫星轨道平面与地球赤道平面，卫星离地面高度为。
2、对同步卫星：其r、h、v、ω、T 、g'均为确定值卫星的变轨问题变轨原理：比较v1、v2、v3的大小?四、梦想成真巩固训练21、要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度是__ __km/s.要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于__ __km/s.要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于__ __km/s.2.关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（）A、它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B、它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度C、它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D、它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度必修二 科目◆物理 编制人： 复核人： 授课时间： 月 号 编号：✂ 课后作业：1 必做题：非常学案 课时作业（十）✂ 板书设计：✂ 课后反思：侧(左)视图 2。
6.5宇宙航行
2
2 3 M 地 m卫 4 r (3) 由 G m卫 2 r得:T 2 2 r T GM 地
只要r 一定，v、ω、T 将随之确定
人造卫星
近地卫星的周期
近地卫星
r T 2 GM地
(6.37 106 )3 2 3.14 s 11 24 6.67 10 5.89 10
3、求同步卫星离地面高度
设卫星离地面高度为h GM 地 m卫 2 2 由 m卫 ( ) (R 地 h) 2 (R 地 h) T
3
解得h
GM 地T 4 R 地 3.6 10 km 2 4
2
5.6R地
人造卫星
为了卫星之间不互相干扰，大约3° 左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星 只能有120颗。可见，空间位置也是一种 min
3
我们能否发射一颗周期为 50min的卫星呢？
人造卫星
1、地球同步卫星的周期 地球自转的周期：T＝24h 2、同步卫星的轨道平面 在赤道平面
地球同步卫星
•思考：同步通讯卫星为什么应位于 赤道平面？ 对同步卫星：其T 、 r、 h、 v、ω均为定值
人造卫星
v3 16.7km / s
宇宙速度
概念辨析
1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开 发射装置时的速度。
①宇宙速度均指发射速度
②轨道半径越大，所需发射速度越大。
2、环绕速度：是指卫星进入轨道后绕地球做 匀速圆周运动的速度。
轨道半径越大，环绕速度越小。
GM v1 r
人造卫星
原理
人造卫星
M 地m卫 GM 地 v (1) 由 G m卫 得:v 2 r r r
6.5 宇宙航行 课件(人教版必修2)
基础知识研读
深层互动探究
金榜冲关必备
达标对点演练
4．如图6－5－2所示，宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的 空间站中会完全失重，下列说法中正确的是 ( )．
A．宇航员仍受万有引力的作用
B．宇航员受力平衡 C．宇航员受万有引力和向心力 D．宇航员不受任何作用力 图6－5－2
基础知识研读
深层互动探究
金榜冲关必备
提示：卫星绕地球做圆周运动飞行时的轨道半径越小，其线 速度就越大，最大速度等于第一宇宙速度7.9 km/s，(1)错； 地球卫星的最小发射速度为7.9 km/s，即第一宇宙速度．
(1)错 (2)对
基础知识研读
深层互动探究
金榜冲关必备
达标对点演练
2.关于宇宙速度，下列说法正确的是
(
)．
A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星绕地球飞行的最小
可以判断出vA>vB>vC，选项A错误．因不知三颗人造地球卫 Mm 星的质量关系，故无法根据F＝G 2 判断它们与地球间的 r Mm 万有引力的大小关系，选项B错误．由G 2 ＝mω2r得ω＝ r GM ，又rC>rB>rA，所以ωA>ωB>ωC，选项C正确． r3
基础知识研读 深层互动探究 金榜冲关必备 达标对点演练
提示：由v＝ GM r 可知，卫星离地面越高，线速度越小．
基础知识研读
深层互动探究
金榜冲关必备
达标对点演练
1 ．假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原
来的2倍，仍做圆周运动，则 ( )． A．根据公式 v＝ ωr，可知卫星运动的线速度将增大到原 来的2倍
v2 B．根据公式 F＝m r ，可知卫星所需的向心力将减少到原来 1 的 2
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v gR 9.8 6.4 10 m / s
6
7.9km / s
6
一、宇宙速度
1.第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km/s．
v1是发射人造地球卫星的最小速度．
说明：
（１）如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫 星将会落到地面而不能绕地球做圆周运动；
（２）等于这个速度，卫星刚好能在地球表面 附近做匀速圆周运动；
第六章 万有引力与航天
1
复习： 处理天体问题的两条思路。
嫦娥三号探月3D全程模拟视频
2
想一想： 如何将地面上的物体发射到太空中？
牛顿的思考与设想： 抛出的速度越大时，落地点越 远，速度不断增大，将会出现 什么结果？
3
牛顿的设想过程
4
计算：以多大的速度抛出物体，它才会绕地球表面做 圆周运动，不会落下来？(已知Ｇ=6.67×10-11Nm2/kg2 , 地球质量M=5.89×1024kg, 地球半径R=6400km)
25
物体落回地面 物体在地面附近绕地 球做匀速圆周运动 物体绕地球运转，但运 动轨迹是椭圆。
第一宇宙速度 7.9km/s﹤v﹤11.2km/s 11.2km/s≦v ﹤16.7km/s 物体绕太阳，轨迹椭圆 16.7km/s ≦v 物体飞出太阳系
第二宇宙速度
第三宇宙速度
11
二、人造卫星的发射速度和运行速度
7
2. 第二宇宙速度（脱离速度）
v2=11.2 km/s
这是Байду номын сангаас星挣脱地球的引力束缚，成为绕 太阳运行的人造行星的最小发射速度． 如果大于7.9km/s，而小于11.2km/s， 卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心就成 为椭圆轨道的一个焦点．
8
演示: 若卫星的发射速度不同 ，会怎样呢？
P
V=7.9Km/s 11.2>V>7.9
18
2 中国的航天成就
1970年4月24日我国 第一颗人造卫星升空
2007年10月24日嫦娥 一号月球探测器发射 成功
19
2003年10月15日 神舟五号 杨利伟
2005年10月12日 神舟六号 费俊龙 聂海胜
2008年9月25日 神舟七号 翟志刚 刘伯明 景海鹏
20
3 展望未来 “先驱者”10号太空探测器 1972年3月2日发射升空， 1986年6月飞出太阳系 “卡西尼”号土星探测器 1997年10月15日发射升空， 2004年1日飞抵土星。
22
2．如图3所示，卫星的运行轨道为椭圆轨道，其近 地点M和远地点N的高度分别为439km和2384km， 则( ) BC A．卫星在M点的势能 大于N点的势能 B．卫星在M点的角速度 大于N点的角速度 C．卫星在M点的加速度 大于N点的加速度 D．卫星在N点的速度大于7.9km/s
23
课堂小结：
美国“凤凰”号火星探测器 2007年8月4日发射， 2008年5月25日在火星着陆。
21
练习
1．质量为m的探月航天器在接近月球表面的 轨道上飞行，其运动视为匀速圆周运动。 已知月球质量为M，月球半径为R，月球 表面重力加速度为g，引力常量为G，不考 虑月球自转的影响，则航天器的 A．线速度 B．角速度 C．运行周期 D．向心加速度
向高轨道发射卫星与发射近地卫星相比哪个需要 的发射速度大？为什么？ ……从动能和势能的转化角度考虑。 高轨道卫星与近地卫星相比哪个运行速度大？ 以及周期、角速度？
Mm mv 4 2 G 2 m r m 2 r r r T
2 2
12
注意：
发射速度 指被发射物体离开地面时的速度； 运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线
速度。
V发射
V运 行
13
结论1
第一宇宙速度v1=7.9km/s是发射人造地球 卫星的最小发射速度，是绕地球转动的最 大环绕速度。 特别说明： 卫星的实际环绕速度比发射速度小。
14
课堂练习： 绕地球运动的人造卫星 （1）离地面越高，向心力越 （2）离地面越高，线速度越 （3）离地面越高，周期越 （4）离地面越高，角速度越 （5）离地面越高，向心加速度越
V>11.2Km/S
9
3. 第三宇宙速度（逃逸速度）
v3=16.7 km/s
如果人造卫星具有这样的速度，将会挣脱 太阳的引力束缚飞到太阳系外．
如果人造卫星的速度大于 11.2km/s而小于 16.7km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是椭 圆，太阳是该椭圆轨道的一个焦点．
10
总结
发射速度v v﹤7.9km/s v=7.9km/s 运动情况
思路1：万有引力提供物体做圆周运动所需 的向心力 2 GMm mv 2 R R
v
GM R
6.67101 15.89102 4 6.4106
m/s
7.9km / s
5
回顾书P28思考与讨论：若已知地球表 面重力加速度g=9.8m/s2，R=6400km。
思路2：在地面附近时，重力提供物体做圆 周运动的向心力，刚好飘离地面时的临界速 度v，则
小 小 大 小 小
贴着地面的卫星周期最小，为84min。
15
判断 第一宇宙速度是卫星绕地球运行的 最小环绕速度。( ) 能否能发射一颗周期为80min的 人造地球卫星？ ( )
16
三、梦想成真
1.万户飞天
14世纪-明朝
“人类航天始 祖！ ”
17
1957年10月，苏联发射 第一颗人造地球卫星。
1961年4月12日苏联空军少校 加加林乘坐东方一号载人飞 船进入太空，实现了人类进 入太空的梦想。 1969年7月20日，阿波罗 11号将人类送上了月球。
一、卫星绕地球做匀速圆周运动所需的 向心力由万有引力提供:
Mm mv 4 2 G 2 m r m 2 r r r T
2 2
二、三种宇宙速度： v1=7.9km/s（最小发射速度，最大环绕速度） v2=11.2 km/s v3=16.7 km/s
（下节课讲同步卫星和卫星变轨问题）
24
地球是人类的摇篮，但是人类不会永远 生活在摇篮里。 ——齐奥尔科夫斯基