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1、高一物理人造卫星宇宙速度教案46人造卫星 宇宙速度 教学目标 学问目标：1、通过对行星绕恒星的运动及卫星绕行星的运动的探讨，使学生初步驾驭探讨此类问题的基本方法：万有引力作为圆周运动的向心力；2、使学生对人造卫星的放射、运行等状况有初步了解，使多数学生在头脑中建立起较正确的图景； 实力目标通过学习万有引力定律在天文学上的应用，通过解世界和中国的航天事业的发展，了解世界上第一颗人造卫星、第一个宇宙飞船、第一个宇航员的学问，了解中国的神州一号、神州二号、神州三号的放射与回收，增加学生的爱国主义热忱 情感目标通过学习万有引力定律在天文学上的应用，使学生真实感受到用自己所学的物理学问能解决天体问题，能
2、解决实际问题，增加学生学习物理的热忱 教学建议 本节的教学过程中在加强应用万有引力定律的同时，还应注意卫星的放射过程.请老师留意下列几个问题.一、天体运动和人造卫星运动模型二、地球同步卫星三、卫星运行速度与轨道卫星从放射升空到正常运行的连续过程，一般可分为几个阶段，每个阶段对应不同的轨道例如放射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等有些卫星的放射并不是干脆到达运行轨道，而须要多次变轨例如地球同步卫星就是先放射到近地的圆轨道上，再变为椭圆形转移轨道，最终在椭圆形轨道的远地点变为同步轨道因此放射过程需多级火箭推动 教学设计方案 教学重点：万有引力定律的应用 教学难点：人造地球卫星的放射 教
3、学方法：探讨法 教学用具：多媒体和计算机 教学过程： 一、人造卫星的运动 问题： 1、地球绕太阳作什么运动？ 回答：近似看成匀速圆周运动 2、谁供应了向心力？ 回答：地球与太阳间的万有引力 3、人造卫星绕地球作什么运动？ 回答：近似看成匀速圆周运动 4、谁供应了向心力？ 回答：卫星与地球间的万有引力 请学生思索探讨下列问题： 例题1、依据观测，在 土星外围有一个模糊不清的光环，试用力学方法判定土星的光环原委是与土星相连的连续物，还是绕土星运转的小卫星群？ 分别请学生提出自己的方案并加以说明： 1、假如是连续物则：这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径成正比， 2、假如是卫星则：这些物体作匀速圆周
4、运动的线速度与半径的平方根成反比，这个题可以让学生充分探讨 二、人造卫星的放射 问题：1、卫星是用什么放射升空的？ 回答：三级火箭 2、卫星是怎样用火箭放射升空的？ 学生可以探讨并发表自己的观点 下面我们来看一道题目： 例题2、1999年11月21日，我国“神州”号宇宙飞船胜利放射并收回，这是我国航天史上重要的里程碑新型“长征”运载火箭，将重达8.4t的飞船向上送至近地轨道1，飞船与火箭分别后，在轨道1上以速度7.2km/s绕地球作匀速圆周运动试回答下列问题： （1）依据课文内容结合例题（2）（3）（4）问画出图示 （2）轨道1离地的高度约为： A、8000kmB、1600kmC、6400km
5、D、42000km 解：由万有引力定律得： 解得：=1600km 故选（B） （ 3）飞船在轨道1上运行几周后，在点开启发动机短时间向外喷射高速气体使飞船加速，关闭发动机后飞船沿椭圆轨道2运行，到达点开启发动机再次使飞船加速，使飞船速率符合圆轨道3的要求，进入轨道3后绕地球作圆周运动，利用同样的方法使飞船离地球越来越远，飞船在轨道2上从点到点过程中，速率将如何改变？ 解：由万有引力定律得： 解得： 所以飞船在轨道2上从点到点过程中，速率将减小 （4）飞船在轨道1、2、3上正常运行时： 飞船在轨道1上的速率与轨道3上的速率哪个大？为什么？ 回答：轨道1上的速率大 飞船在轨道1上经过点的加速度与飞
6、船在轨道2上经过点的加速度哪个大？为什么？ 回答：一样大 飞船在轨道1上经过点的加速度与飞船在轨道3上经过点的加速度哪个大？为什么？ 回答：轨道1上的加速度大 探究活动收集资料。组织学生编写相关论文。1、世界第一颗人造卫星到中国的第一颗人造卫星的历史过程。2、我国的人造卫星现在在天空中翱翔的有多少颗及它们的周期。 高一物理教案：人造卫星 宇宙速度教学设计 高一物理教案：人造卫星 宇宙速度教学设计 教学目标 学问目标： 1、通过对行星绕恒星的运动及卫星绕行星的运动的探讨，使学生初步驾驭探讨此类问题的基本方法：万有引力作为圆周运动的向心力; 2、使学生对人造卫星的放射、运行等状况有初步了解，使多数
7、学生在头脑中建立起较正确的图景; 实力目标 通过学习万有引力定律在天文学上的应用，通过解世界和中国的航天事业的发展，了解世界上第一颗人造卫星、第一个宇宙飞船、第一个宇航员的学问，了解中国的神州一号、神州二号、神州三号的放射与回收，增加学生的爱国主义热忱. 情感目标 通过学习万有引力定律在天文学上的应用，使学生真实感受到用自己所学的物理学问能解决天体问题，能解决实际问题，增加学生学习物理的热忱 教学建议 本节的教学过程中在加强应用万有引力定律的同时，还应注意卫星的放射过程.请老师留意下列几个问题. 一、天体运动和人造卫星运动模型 二、地球同步卫星 三、卫星运行速度与轨道 卫星从放射升空到正常运行
8、的连续过程，一般可分为几个阶段，每个阶段对应不同的轨道.例如放射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等.有些卫星的放射并不是干脆到达运行轨道，而须要多次变轨.例如地球同步卫星就是先放射到近地的圆轨道上，再变为椭圆形转移轨道，最终在椭圆形轨道的远地点变为同步轨道.因此放射过程需多级火箭推动. 教学设计方案 教学重点：万有引力定律的应用 教学难点：人造地球卫星的放射 教学方法：探讨法 教学用具：多媒体和计算机 教学过程： 一、人造卫星的运动 问题： 1、地球绕太阳作什么运动? 回答：近似看成匀速圆周运动. 2、谁供应了向心力? 回答：地球与太阳间的万有引力. 3、人造卫星绕地球作什么运动?
9、 回答：近似看成匀速圆周运动. 4、谁供应了向心力? 回答：卫星与地球间的万有引力. 请学生思索探讨下列问题： 例题1、依据观测，在土星外围有一个模糊不清的光环，试用力学方法判定土星的光环原委是与土星相连的连续物，还是绕土星运转的小卫星群? 分别请学生提出自己的方案并加以说明： 1、假如是连续物则：这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径成正比， 2、假如是卫星则：这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径的平方根成反比， 这个题可以让学生充分探讨. 二、人造卫星的放射 问题：1、卫星是用什么放射升空的? 回答：三级火箭 2、卫星是怎样用火箭放射升空的? 学生可以探讨并发表自己的观点. 下面我们来看一道
10、题目： 例题2、1999年11月21日，我国“神州”号宇宙飞船胜利放射并收回，这是我国航天史上重要的里程碑.新型“长征”运载火箭，将重达8.4t的飞船向上送至近地轨道1，飞船与火箭分别后，在轨道1上以速度7.2km/s绕地球作匀速圆周运动.试回答下列问题： (1)依据课文内容结合例题(2)(3)(4)问画出图示. (2)轨道1离地的高度约为： A、8000km B、1600km C、6400km D、42000km 解：由万有引力定律得： 解得： =1600km 故选(B) (3)飞船在轨道1上运行几周后，在 点开启发动机短时间向外喷射高速气体使飞船加速，关闭发动机后飞船沿椭圆轨道2运行，到达
11、 点开启发动机再次使飞船加速，使飞船速率符合圆轨道3的要求，进入轨道3后绕地球作圆周运动，利用同样的方法使飞船离地球越来越远，飞船在轨道2上从 点到 点过程中，速率将如何改变? 解：由万有引力定律得： 解得： 所以飞船在轨道2上从 点到 点过程中，速率将减小. (4)飞船在轨道1、2、3上正常运行时： 飞船在轨道1上的速率与轨道3上的速率哪个大?为什么? 回答：轨道1上的速率大. 飞船在轨道1上经过 点的加速度与飞船在轨道2上经过 点的加速度哪个大?为什么? 回答：一样大 飞船在轨道1上经过 点的加速度与飞船在轨道3上经过 点的加速度哪个大?为什么? 回答：轨道1上的加速度大. 探究活动 收集
12、资料。组织学生编写相关论文。 1、世界第一颗人造卫星到中国的第一颗人造卫星的历史过程。 2、我国的人造卫星现在在天空中翱翔的有多少颗及它们的周期。 宇宙速度人造地球卫星 教学目的:1、了解人造卫星的有关学问2、.通过讲解与举例,让学生驾驭第一宇宙速度的推导.了解其次、第三宇宙速度的意义重点:第一宇宙速度的推导教学方法:启发、讲授教学过程:一.组织教学:二.引入新课:1970年4月24日,我国放射了第一颗人造地球卫星,到现在我国已放射了多颗人造地球卫星.1975年,我国就驾驭了使卫星返回地面的回收技术,成为世界上第三个驾驭这种先进技术的国家.1984年4月8日,我国放射了一颗试验通讯卫星,把卫星
13、精确地运输到指定位置的同步轨道上.这是一个难度特别大的多维限制问题.同步卫星的定点胜利,标记着我国在运载火箭和卫星技术方面已加入世界先进行列.近几年,我国始终利用火箭为其它国家放射卫星.这节课我们来学习人造地球卫星的基本学问.三.讲授新课:1.牛顿的人造卫星设想:假如地面上空有一个相对于地面静止的物体,它只受到重力的作用,那么它将做自由落体运动.假如物体在空中具有肯定的初速度,且初速的方向与重力方向垂直,那么它将做平抛运动.牛顿就曾设想,从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时,物体就恒久不会落到地面上来,而围绕地球旋转,成为一颗
14、人造地球卫星了.2.宇宙速度:第一宇宙速度:提问:当物体一速度达到多大时,物体在重力作用下,不会落到地面上来,而围绕地球作圆周运动,成为人造地球卫星呢?答:由于人造地球卫星在空中运行时,仅受到地球对它的万有引力作用,这时,它就是卫星做匀速圆周运动所须要的向心力,即:GMm/r2=mV2/rV=（GM/r）1/2从上式可见,r越大,即卫星离地面越高,它环绕地球运动的速度V越小.对于靠近地面运行的卫星,可以认为r近似等于地球的半径R地,地球对物体的引力,近似等于卫星的重力mg,则有:V=（gR）1/2地 将g=0.0098km/s2和R地=6400km代入上式有:V=7.9km/s这就是人造地球卫
15、星在地面旁边环绕地球做匀速圆周运动必需具有的速度,叫第一宇宙速度.也叫环绕速度.说明：1）是最小的放射速度，最大的环绕速度2）全部轨道的圆心都在地心上其次宇宙速度:假如人造地球卫星进入轨道的水平速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,它绕地球运行的轨迹就不是圆而是椭圆了.当卫星的速度等于或大于11.2km/s的速度时,卫星就可以摆脱地球的引力的束缚,成为绕太阳运动的人造行星,或飞到其它行星上去.所以11.2km/s这个速度叫做其次宇宙速度.也叫脱离速度说明：是卫星摆脱地球束缚的最小放射速度第三宇宙速度:达到其次宇宙速度的卫星还受到太阳的束缚,要想摆脱太阳的束缚,飞到太阳系以外的空间,速
16、度必需大于16.7km/s,这个速度叫做第三宇宙速度.也叫逃逸速度是摆脱太阳束缚的最小放射速度。 3.人造卫星中的的超重和失重:人造卫星中的人和物体都处于完全失重状态.4.人造卫星的应用:(详见书)四.小结、巩固练习:例一.一颗在圆形轨道上运行的人造地球卫星,轨道半径为r时,它的线速度大小为V.问:当卫星的轨道半径增大到2r时,它的线速度的大小变为多少? 例二.同步卫星的运转周期与地球自转周期相同.由于卫星与地球同步地运动,因此从地面看上去,卫星好象静止地停留在某地高空.问:这颗卫星的高度是多少? 例三.宇宙中某星球的半径为地球的2倍,星球的质量为地球的2倍,若在该星球上放射一颗卫星，使其环绕
17、该星运动。问该卫星在该星旁边轨道放射需最小速度是多少？ 五.布置作业:1.书面作业:2.家庭作业: 第六章万有引力定律（五、人造卫星宇宙速度）第六章万有引力定律（五、人造卫星宇宙速度） 教学目的: 1了解人造卫星的有关学问 2驾驭第一宇宙速度的推导。了解其次、第三宇宙速度的意义。 教学重点：第一宇宙速度的推导 教学难点：放射速度与环绕速度的区分 教学方法:启发、讲授 教学过程： 一导入新课 1问：在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？ 学生：它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远.因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所
18、以落地点也较远。 老师：假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？ 学生进行猜想。 老师总结，并用多媒体模拟。假如地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，假如物体在空中具有肯定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，假如没有空气阻力，当速度足够大时，物体就恒久不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。 1970年4月24日,我国放射了第一颗人造地球卫星,到现在我国已放射了多颗人造地球卫星。1
19、975年,我国就驾驭了使卫星返回地面的回收技术,成为世界上第三个驾驭这种先进技术的国家。1984年4月8日,我国放射了一颗试验通讯卫星,把卫星精确地运输到指定位置的同步轨道上。这是一个难度特别大的多维限制问题.同步卫星的定点胜利,标记着我国在运载火箭和卫星技术方面已加入世界先进行列。近几年,我国始终利用火箭为其它国家放射卫星。这节课我们来学习人造地球卫星的基本学问。 2人造卫星的分类 a轨道分类：同步卫星、极地卫星、任一轨道卫星。 b用途分类：通讯卫星、军事卫星、气象卫星等等。 3同步卫星 1轨道；肯定在赤道上空。 2必需有肯定的高度、周期、线速度、角速度。（为什么？） 3引入：那么人造卫星的
20、轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？本节课我们就来学习这个问题。 二新课教学 （一）宇宙速度 1设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转。 老师：卫星绕地球运转的向心力由什么力供应？ 学生：由卫星所受地球的万有引力来供应。 据上述关系你能得到什么表达式？ 学生：mr所以我们得到,T=2 老师：在公式中，M为地球质量，G为引力恒量，r为卫星轨道半径。此式为卫星绕地球正常运转的线速度(环绕速度)和运行周期表达式。 2探讨v、T与r之间的关系： 学生：由于GM肯定，r越小，线速度v越大，反之，r越大，v越小.即：rv 同理：rT,对于人造卫星vmax=7.9km/s,Tmin=84.4min 老师：由
21、此我们得到：距地面越高的卫星运转速率越小。那么，是向高轨道放射困难，还是向低轨道放射卫星困难呢？ 学生：向高轨道放射卫星比向低轨道放射卫星要困难，因为向高轨道放射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功。3对于靠近地面运行的人造卫星，求解它绕地球的速率 对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则 或者：mg=mv2/rv=7.9km/s 老师：这个速度就是人造卫星在地面旁边绕地球做匀速圆周运动所必需具有的速度，叫第一宇宙速度。4探讨： 第一宇宙速度是卫星绕地球的最大速度，为什么？ 为什么说第一宇宙速度是放射人造卫星的最小速度 学生探讨后，老师总结： 第一宇宙速度v=7
22、.9km/s可理解成： (1)是放射卫星进入最低轨道所必需具有的最小速度。 (2)是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度，即全部卫星的环绕速度均小于7.9km/s。 过渡：假如卫星进入地面旁边的轨道速度大于7.9km/s,此时卫星的运行轨道又如何呢？5老师讲解，并用多媒体模拟： 当人造卫星进入地面旁边的轨道速度大于7.9km/s,而小于11.2km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆。当卫星从地面飞出时的速度大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，为太阳的行星这个速度叫做其次宇宙速度，也叫脱离速度。 当卫星从地面上飞出时的速度大于或等于16.7km/s,则能
23、脱离太阳的束缚，进入太阳系以外的宇宙空间中去，这个速度叫做第三宇宙速度，也叫逃逸速度。 （二）地球同步卫星 下面我们再来探讨一种卫星同步通信卫星。这种卫星绕地球运动的角速度与地球自转的速度相同，所以从地面上看，它总在某地的正上方，因此叫同步卫星。这种卫星一般用于通讯，又叫同步通讯卫星。我们平常看电视实况转播时总听到解说员所说的太平洋上空或印度洋上空的卫星都是通讯卫星，在北京上空有没有同步卫星呢？同步卫星有何特点呢？ 若在北纬或南纬某地上空真有一颗同步卫星，那么这颗卫星轨道平面的中心应是地轴上的某点，而不是地心，其须要的向心力也指向这一点。而地球所能够供应的引力只能指向地心，所以北纬或南纬某地上
24、空是不行能有同步卫星的。另外由于同步卫星的周期与地球自转周期相同，所以此卫星离地球的距离只能是一个定值。换句话说，全部地球的同步卫星只能分布在赤道正上方的一条圆弧上，而为了卫星之间不相互干扰，大约3度角左右才能放置一颗卫星，地球的同步通讯卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。(让学生推导同步卫星的高度)。 同步通讯卫星的特点：1在赤道平面内。2与地球自转方向相同。3高度肯定。 值得说明的是：卫星在放射的过程中处于超重状态，和在升降机中相同。卫星进入轨道，在正常运行的过程中，卫星中的物体处于完全失重状态，凡是工作原理与重力有关的仪器（天平，水银气压计）在卫星中都不能正常运用，凡是与重力
25、有关的试验都无法进行。 地球同步卫星是指运转周期与地球自转周期相同，与地球同步转动，相对于地面上某一点始终保持静止的人造卫星。有一下特点： （1）周期、角速度与地球相同，即T24h （2）轨道确定。因为、T与地球相同，又在做匀速圆周运动，所以只能在赤道面上与地球自转同步，全部地球同步卫星的轨道均在赤道平面内，且离地面的高度和环绕速度相同。 三巩固练习 1放射一个用来转播电视节目的同步卫星，应使它与地面相对静止，已知地球半径为6400km,问此卫星应放射到什么高度？（h=-R=3.59104km） 2宇航员坐在人造卫星里，试说明卫星在放射过程中人为什么会产生超重现象？当卫星绕地球做匀速圆周运动时
26、又为什么会产生完全失重现象？ 3在环绕地球运行的宇宙飞船的试验舱内，下面几项试验中可以正常进行的是（CD） A用天平称物体的质量 B同弹簧秤称物体的重力 C上紧闹钟上的发条 D用体温表测宇航员的体温 4.关于第一宇宙速度，下面说法正确的是(BC) 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放射速度 D它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度 5某行星的卫星，在靠近行星的轨道上飞行，若要计算行星的密度，须要测出的物理量是(D) A行星的半径 B卫星的半径 C卫星运行的线速度 D卫星运行的周期 6关于人造地球卫星与宇宙飞船
27、的下列说法中，正确的是(AB) A假如知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量 B两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形态差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期就肯定是相同的 C原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可 D一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内渐渐走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小 五作业创新设计 第19页 共19页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页第 19 页 共 19 页