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2019-2020年高一物理人造衛(wèi)星 宇宙速度 一、教學(xué)目標(biāo)： 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(yùn)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(dǎo)第一宇宙速度。 二、教學(xué)重點(diǎn)： 1．人造地球衛(wèi)星的發(fā)射及運(yùn)行原理。 2．對第一宇宙速度的確切理解。 三、教學(xué)難點(diǎn)：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度的區(qū)別。 四、教學(xué)方法：引導(dǎo)啟發(fā)式 五、教學(xué)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(jì)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)，99年發(fā)射了“神舟”號試驗(yàn)飛船。這節(jié)課，我們要學(xué)習(xí)有關(guān)人造地球衛(wèi)星的知識。 （二）進(jìn)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(dāng)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(yùn)行的動力學(xué)原因。 人造衛(wèi)星在繞地球運(yùn)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(yùn)動的向心力由萬有引力提供。 （3）人造衛(wèi)星的運(yùn)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(yùn)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(yùn)行的衛(wèi)星，角速度小，周期長。 引入：高軌道上運(yùn)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(yùn)行速度 2．宇宙速度 （1）第一宇宙速度 ⑴推導(dǎo)： 問題：牛頓實(shí)驗(yàn)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(yùn)動？地球半徑為6370km。 分析：在地面附近繞地球運(yùn)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(yùn)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(yùn)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v2=11.2km/s。 意義：使衛(wèi)星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運(yùn)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(yùn)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(yùn)行。 （3）第三宇宙速度。 大小：v3=16.7km/s。 意義：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(yùn)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(yùn)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(bǔ)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(yùn)行速度： 運(yùn)行速度指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做圓周運(yùn)動的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面飛行時，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度，當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑大于地球半徑時，運(yùn)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(yùn)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。 【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(yùn)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。 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(xué)原因。 宇宙速度。 發(fā)射速度與運(yùn)行速度。 （五）布置作業(yè) 課本P110⑶⑷⑸