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2019-2020年高一物理人造衛(wèi)星 宇宙速度五 人教版 一．教學目標： 1、了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識，正確理解人造衛(wèi)星做圓周運動時，各物理量之間的關(guān)系。 2、知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度。 二．教學重點：1、人造地球衛(wèi)星的發(fā)射及運行原理。2、對第一宇宙速度的確切理解。 三．教學難點：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度的區(qū)別。 四．教學方法：引導啟發(fā)式 五．教學過程： （一）引入新課1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人類航天時代的新紀元。我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星，掌握了衛(wèi)星回收技術(shù)和“一箭多星”技術(shù)，還發(fā)射了“神舟”號試驗飛船。這節(jié)課，我們要學習有關(guān)衛(wèi)星的知識。 （二）進行新課 1、人造地球衛(wèi)星 （1）牛頓對人造衛(wèi)星原理的描繪。 設(shè)想在高山上有一門大炮，水平發(fā)射炮彈，初速度越大，水平射程就越大，可以想象當初速度足夠大時，這顆炮彈將不會落到地面，將和月球一樣成為地球的一顆衛(wèi)星。 （2）人造衛(wèi)星繞地球運行的動力學原因：人造衛(wèi)星在繞地球運行時，只受到地球?qū)λ娜f有引力作用，人造衛(wèi)星作圓周運動的向心力由萬有引力提供。 （3）人造衛(wèi)星的運行速度。 設(shè)地球質(zhì)量為M，衛(wèi)星質(zhì)量為m，軌道半徑為r，由于萬有引力提供向心力，則 ，∴， 可見：高軌道上運行的衛(wèi)星，線速度小。 提出問題：角速度和周期與軌道半徑的關(guān)系呢？ ， 可見：高軌道上運行的衛(wèi)星，角速度小，周期長。 引入：高軌道上運行的衛(wèi)星速度小，是否發(fā)射也容易呢？這就需要看衛(wèi)星的發(fā)射速度，而不是運行速度。 2、宇宙速度 （1）第一宇宙速度 ⑴推導： 問題：牛頓實驗中，炮彈至少要以多大的速度發(fā)射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運動？地球半徑為6370km。 分析：在地面附近繞地球運行，軌道半徑即為地球半徑。由萬有引力提供向心力： ， 得： 又∵ ∴ 結(jié)論：如果發(fā)射速度小于7.9km/s，炮彈將落到地面，而不能成為一顆衛(wèi)星；發(fā)射速度等于7.9km/s，它將在地面附近作勻速圓周運動；要發(fā)射一顆半徑大于地球半徑的人造衛(wèi)星，發(fā)射速度必須大于7.9km/s?？梢?，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難。 ⑵意義：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度，所以也稱為環(huán)繞速度。 （2）第二宇宙速度 大小。意義：使衛(wèi)星掙脫地球束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度，也稱為脫離速度。 注意：發(fā)射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛(wèi)星繞地球運動的軌跡為橢圓；等于或大于11.2km/s時，衛(wèi)星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行。 （3）第三宇宙速度。大?。骸Ｒ饬x：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度，也稱為逃逸速度。 注意：發(fā)射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛(wèi)星繞太陽作橢圓運動，成為一顆人造行星。如果發(fā)射速度大于等于16.7km/s，衛(wèi)星將掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。 3、人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度 （1）發(fā)射速度：發(fā)射速度是指衛(wèi)星在地面附近離開發(fā)射裝置的初速度，一旦發(fā)射后再無能量補充，要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。 （2）運行速度：運行速度指衛(wèi)星在進入運行軌道后繞地球做圓周運動的線速度。當衛(wèi)星“貼著”地面飛行時，運行速度等于第一宇宙速度，當衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時，運行速度小于第一宇宙速度。 （三）例題分析 【例題1】有兩顆人造衛(wèi)星，都繞地球做勻速圓周運行，已知它們的軌道半徑之比r1：r2＝4：1，求這顆衛(wèi)星的：⑴線速度之比；⑵角速度之比；⑶周期之比；⑷向心加速度之比。 解：⑴由得所以 ⑵由得所以 ⑶由得 ⑷由得 【例題2】地球半徑為6400km，在貼近地表附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星速度為7.9103m/s，則周期為多大？估算地球的平均密度。 解：⑴； ⑵由 得： 思考：能否發(fā)射一顆周期為80min的人造地球衛(wèi)星？ （四）課堂小結(jié) 人造地球衛(wèi)星的動力學原因。 宇宙速度。 發(fā)射速度與運行速度。 （五）布置作業(yè) 課本P110⑶⑷⑸ 人造衛(wèi)星 宇宙速度(Ⅱ) 一．教學目標：1、進一步理解人造衛(wèi)星的運行原理以及衛(wèi)星中的失重現(xiàn)象。 2、知道同步衛(wèi)星的知識及應用。 二．教學重點：同步衛(wèi)星的特點及應用 三．教學難點：衛(wèi)星在軌道上運行時各物理量之間的關(guān)系 四．教學方法：啟發(fā)式 五．教學過程： （一）引入新課 人造衛(wèi)星進入軌道后，在正常運行過程中，衛(wèi)星是否處在平衡狀態(tài)？衛(wèi)星中的物體處于什么狀態(tài)？ （二）進行新課---人造衛(wèi)星中的“失重”現(xiàn)象 （1）軌道處的加速度 衛(wèi)星正常運行時，地球?qū)λ娜f有引力提供向心力，即，則， 此加速度也等于軌道處的重力加速度。因此，衛(wèi)星不可能處于平衡狀態(tài)。 （2）衛(wèi)星中的物體處于完全失重狀態(tài)：衛(wèi)星中的物體跟隨衛(wèi)星一起繞地球作勻速圓周運動，受到的引力全部提供圓周運動所需要的向心力，其加速度即為軌道處的重力加速度，而對支持物沒有彈力作用，處在完全失重狀態(tài)。凡是工作原理與重力有關(guān)的儀器（如天平、水銀氣壓計等）在衛(wèi)星中都無法使用，凡是與重力有關(guān)的實驗，在衛(wèi)星中也無法進行。 引導學生思考：在正常運行的衛(wèi)星中，有一物體自行脫落，該物體作何種運動？ 引入：由于衛(wèi)星受到的萬有引力提供了它繞地球運行的向心力，軌道半徑越大的衛(wèi)星，運行速度越小，不同衛(wèi)星可能在不同軌道上運行，滿足什么樣的條件，衛(wèi)星能和地球自轉(zhuǎn)同步呢？ 2、地球的同步衛(wèi)星：（1）同步衛(wèi)星與地面相對靜止，與地球自轉(zhuǎn)同步，周期為24h。（2）同步衛(wèi)星的運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同。（3）同步衛(wèi)星定點在赤道正上方，離地高度、運行速率是唯一確定的。 分析：萬有引力提供衛(wèi)星運轉(zhuǎn)的向心力，而同步衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，所以其軌道平面必定與赤道平面重合，且所有同步衛(wèi)星都在赤道正上方。 設(shè)地球質(zhì)量M，半徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T，同步衛(wèi)星質(zhì)量m，離地高度h，由牛頓第二定律： ∴又∵ ∴ 可見：同步衛(wèi)星的離地高度、線速度大小是唯一確定的。代入具體數(shù)據(jù)可得。 （三）例題分析 【例題1】我國于1986年2月1日成功發(fā)射了一顆實用地球同步衛(wèi)星，于1999年11月20日又成功發(fā)射“神舟號”試驗飛船，飛船在太空中飛行了21小時，繞地球14圈，又順利返回地面。那么此衛(wèi)星與飛船在軌道上正常運轉(zhuǎn)比較： A．衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)周期較大 B．衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)速率較大 C．衛(wèi)星的加速度較大 D．衛(wèi)星的離地高度較大 分析：飛船在軌道上正常運行時，地球?qū)λ囊μ峁┫蛐牧Γ渲芷谛r，比同步衛(wèi)星小，可得A、D正確。 【例題2】我國發(fā)射的亞洲一號通訊衛(wèi)星的質(zhì)量為m，如果地球半徑為R，自轉(zhuǎn)角速度為，表面重力加速度為g，則衛(wèi)星： A．距地面的高度 B．環(huán)繞速度 C．受到地球引力為 D．受到地球引力為 分析：由和知A、B正確，由， 把代入可知C正確，D肯定不對。 【例題3】地球半徑為R，距地心為r處有一顆同步衛(wèi)星，另一星球半徑為3R，距該星球球心為3r處也有一顆同步衛(wèi)星，它的周期為72h，則該星球的平均密度為地球的幾倍？ 解：對于地球的同步衛(wèi)星： ，得， 地球密度，同理某星球的密度： （四）課堂小結(jié) 1．衛(wèi)星中物體所處的狀態(tài)。2．同步衛(wèi)星的特點。 （五）布置作業(yè) 課本P111⑹⑺