4. 人造卫星 宇宙速度公开课教案（教学设计）

人造卫星

宇宙速度

教学目标

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的较简单问题；

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、感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。

教学方法

自学

问题引导

比较法

讲授法

教学手段

多媒体课件

板书

讲授

教学内容及过程

一、知识回顾

1、

环绕天体绕中心天体做圆周运动，随轨道半径增大，环绕天体的v、ω、T如何变化？

2、

做圆周运动的物体在什么条件下做近心运动，什么条件下做离心运动？

二、新课引入

在宇宙空间中自由翱翔，自古以来就是人类的美好理想。自1957年，苏联发射第一颗人造地球卫星开创人类航天时代。到现在，我国已经发射了多颗人造卫星，并能把自己的航天员送上太空。我们已经实现了宇宙航行的美好愿望。今天我们就来学习人造卫星的相关知识。

三、新课讲授

牛顿的设想：

牛顿曾经设提出过一个发射人造卫星的设想：如果高山上有一门大炮，水平发射炮弹，炮弹做平抛运动。发射的初速度越大，射程就越远，当速度足够大时，炮弹将不会落回地面，将绕地球做圆周运动，这样，炮弹就成为了一颗地球卫星。

（一）

宇宙速度

1）

第一宇宙速度

有牛顿的理论可知，卫星的发射有一个最小速度，这就是第一宇宙速度。

那么，这个速度有多大呢？

学生活动：计算第一宇宙速度的大小（设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r）

第一条思路：

v12GMmGMm由得：v7.9km/s

1r2rr（此情况下的卫星飞行高度很低，可以认为r=R=6400 km,G=6.67×10-11 Nm2/kg2, M=5.98×1024 kg）

第二条思路：

卫星贴地飞行，也可以认为是重力提供向心力：

mv12由mg得：v1Rg7.9km/s

R

第一宇宙速度对发射卫星的意义：第一宇宙速度是物体在地面附近绕地球做圆周运动的速度，是发射卫星的最小速度。

这里我们认识两个与卫星相关的速度，

发射速度：卫星离开发射火箭时的初速度；

运行（环绕）速度：卫星已经发射成功，进入轨道后，绕地球做圆周运动的线速度。

由卫星运动的动力学方程可知，半径越大，速度越小。地表附近rmin=R，所以第一宇宙速度也是最大的运行速度。

问题：高轨道卫星的运行速度小，那么对应的发射速度是否越小，发射起来越容易？

答案是否定的，发射高轨到卫星需克服地球引力做更多地功，需要更大的发射速度和更高的技术。发射卫星看的是发射速度而不是运行速度。

2）

第二宇宙速度

当我们以7.9km/s< v <11.2km/s在地面附近发射卫星时，卫星将做离心运动，绕地球运动的轨道是椭圆，而不是圆。速度越大，远地点离地球越远，地球引力越小。当发射速度v >11.2km/s时，卫星将脱离地球引力场，而被地球附近的其他天体的引力缚获。所以，我们把11.2km/s的这个速度称为第二宇宙速度。

意义：是卫星脱离地球的最小发射速度。

3）

第三宇宙速度

如果我们以大于16.7km/s的速度发射卫星，他不仅会脱离地球，还会脱离太阳引力的束缚，所以我们把这个速度叫做第三宇宙速度。

意义：是物体脱离太阳系的最小发射速度。

二）人造卫星的运行

引入问题：

1、

什么是人造卫星？卫星的轨道有什么特点？

2、

绕地球做匀速圆周运动的卫星的速度和周期随轨道高度升高如何变化？

1、

轨道：以地心为圆心的圆，或者以地心为焦点的椭圆

下列图形所示轨道，哪个不可能是人造卫星轨道，说明你的理由

2、

周期、速度与角速度

由F引F可知，

向GMmGMmmv2GMm422m(Rh)；；m2(Rh)可以得知，v、ω、(Rh)2Rh(Rh)2(Rh)2TT由高度h一一确定。随h增大，v、ω减小，而T增大；

反之，v、ω增大，而T减小。

这个规律可以总结为一句话：高轨低速长周期，低轨高速短周期。

练习：求人造卫星运行的最小周期，并说明，我们能否发射一颗T=60min的人造卫星。

三）梦想成真

简述人类航天事业的发展史，例举人类成功发射的几颗人造地球卫星，并进行定量计算。

“1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。卫星重83.6kg，每96min

绕地球飞行一圈。”试由所给信息计算：卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星运行的角速度多大？

板书设计

人造卫星 宇宙速度

一、宇宙速度

1、第一宇宙速度：

v12GMmGM 1）2m可得，v17.9km/s

rrrmv122）mg可得，v1Rg7.9km/s

R3）意义：最小的发射速度，最大的运行速度

2、第二宇宙速度和第三宇宙速度

1）

v211.2km/s：脱离地球的最小发射速度

2）

v316.7km/s：脱离太阳系的最小发射速度

二、人造卫星

高轨低速长周期，低轨高速短周期

三、梦想成真

中国和世界航天史的成就

课后反思：

需要进一步加强学生活动环节的设计，增加学生的课堂参与度。