4. 人造卫星 宇宙速度教案板书设计

《人造卫星

宇宙速度》教学设计

江苏省高邮中学

张熙文

一．设计思想

在以往的关于人造卫星的教学中，由于不少新名词的介绍方法比较刻板，条框化，数据化，同时缺乏直观性，常常给学生一种这些知识离自己很遥远的感觉。在看到一些数据时毫无亲切感，只能死记硬背。而近年来，我国航天事业取得了一系列的高速的发展。航天离我们越来越近。因此在设计这堂课时，教师充分利用多媒体的直观性，从生活入手，从身边入手引发学生兴趣并使之成为课堂的参与者。使得学生觉得在学习就在自己身边发生的很实际的一些有用的物理知识，从而提高学习的有效性。

二．教学目标

（一

）知识与技能

1．了解人造卫星的发射原理

2．知道宇宙第一、第二、第三速度会计算卫星的环绕速度与运行周期

（二）过程与方法

1．了解并体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用

2．通过对万有引力定律在人造卫星上的重要作用,体会科学定律和科学探究的意义

（三）情感态度与价值观

1．培养学生对科学的好奇心和学习物理知识的求知欲, 2．了解我国航天事业的发展,进行爱国主义教育. 本课是振奋民族精神,激发爱国热忱的重要内容，可适当渗透我国发展航天科技最终是使人类能够和平的利用太空资源

三、教学重难点

1.教学重点:培养学生对万有引力定律的应用能力

2.教学难点:人造卫星的运行速度和周期的计算

四、教学设计流程图

卫星图片以及广告视频引入课题

各国第一颗人造卫星发射相关数据引发学生提问

重点讲解卫星发射原理以及三种宇宙速度的意义

介绍同步卫星并计算同步卫星的距离地面高度

介绍不同种类的人造地球卫星

介绍我国航天事业的发展

总结

1

五、教学过程: 引入新课：

1.看系列图片：（各种卫星拍摄的图片）伊朗核设施、天安门、曼哈顿、月表图片（嫦娥一号发回的）、在月球南极拍摄的“地落”照片、动态气象云图（视频：中央气象预报的气象云图）。

[问]以上图片和动态云图是在什么位置借用什么设备拍摄的？

[答]是借用卫星拍摄的。

[展示GPS实物]提问GPS的工作原理是什么呢？

[视频]GPS的一段广告片

[问]你认为里面的关键词是什么？

[答]三颗卫星、全球定位

[播放] 《东方红》乐曲录音并提问学生：这首乐曲的名字？

[讲述]这首乐曲曾在20世纪七十年代响遍大江南北，响彻宇宙太空，有谁知道它发自何处？

[图片]东方红一号卫星

[视频]东方红一号卫星的发射

[问]第一颗人造卫星是哪国何时发射的？

[答]苏联“斯普特尼克”（sputnik）（俄文中：旅伴。同路人的含义）1957.10.4 [讲授]我国是第五个独立研制和发射地球卫星的国家

（投影显示）五个国家第一颗卫星比较

名称

前苏联

美国

1958.2.1 13．97* 114.80 法国

1965.11.26 40 108.61 日本

中国

东方红一号

173 114 斯普特尼克号

探险者一号

试验卫星A－1 大隅

38* 144.36 发射日期

1957.10.4 质量(kg) 83．6 周期（分）

96.17 1970.2.11 1970.4.24 [问]

看了上面的一些数据，关于人造卫星，你想知道些什么呢？

[答]

想知道卫星的质量为什么不一样？想知道卫星如何发射上去的？想知道为什么每颗卫星周期不一样？……

[讲授]同学们的脑中有着许多疑问，让我们看看能不能通过今天及其以后的学习，能解答你的疑问。

[师]

1957.10.4日，第一颗人造卫星上天，标志着人类开始迈入航天时代。

2003.10.15日，神州五号搭载杨利伟成功升空，标志着中国迈入了载人航天时代。

而我们知道，在地面上用炮筒射出一颗炮弹，最终炮弹总是会落回到地面上的，那么如何才能使物体不再落回地面进而成为地球的一颗卫星呢？

[答]加大速度

[讲授]

300多年前，牛顿就已经想过这个问题。

[课件]

牛顿对人造地球卫星原理的描绘

在高山上物体作平抛运动的初速度越大，落地点高山脚越远，当抛出速度足够大时，物体就不会落到地面上，成为绕地球旋转的人造地球卫星．

[问]那么以多大速度发射物体才能实现我们的目标呢？希望你能通过本节的学习来解

2

决上述问题。

[板书]人造卫星

宇宙速度

[说明]

实际的卫星轨道可以是圆轨道，也可以是椭圆轨道。在中学阶段，我们可以近似认为卫星做匀速圆周运动

[问]

那么卫星，月球不落下来而是围绕地球做圆周运动必须具备什么样的条件呢？

[同学思考后回答]

1.人造地球卫星绕地球运行的动力学原因

地球给人造地球卫星的万有引力提供了它绕地球作匀速圆周运动所需的向心力．

2.人造地球卫星在轨道上运行时不可能处于受力平衡状态，其加速度等于卫星所在处的重力加速度．

[讲授]

不同轨道上的卫星的运行速度是不一样的，如何来求卫星的运行速度呢？

[例题]

设地球质量为M，地球半径为R，卫星的轨道半径为r，卫星质量为m，试求卫星运动的线速度v，角速度ω与周期T [同学分组推导并交流] [板书]

描述卫星运动的量：

线速度、角速度、周期与半径的关系

Gmmmv2Gm（1）由

→

vrrr2（2）由GmmGm2mr

→

23rr2Gmm4r3（3）由

mr

→

TTGmr2[讲授]

从这里我们可以看到，因G m不变，则v∝行速度越慢。角速度也越慢，周期越长。

[问]

那么卫星最大的运行速度是多少呢？

1r，卫星离地心越远，它的运Gm[答]

当r=R时

→

v7.9kms

R（卫星的最大运行速度：第一宇宙速度）

方法二：由于卫星在地球附近运行时，卫星做圆周运动的向心力可看作由重力mg提供，根据牛顿第二定律得

vgr6.371069.87.9103m/s7.9km/s

[板书] （1）第一宇宙速度（环绕速度）：v17.9km/s

①意义：它是人造卫星地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度．

如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；等于这个速度卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；

如果大于7.9km/s，会怎么样呢？而小于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地

3

心就成为椭圆轨道的一个焦点．

[PPT展示]

嫦娥一号的轨道示意图

11月01日04:49 来源：《人民日报》

北京时间10月31日17时28分，嫦娥一号卫星成功实施第三次近地点变轨，这标志着围绕地球飞行了７天的嫦娥一号卫星顺利进入地月转移轨道，真正开始奔向月球。

此次变轨是卫星入轨后的第四次变轨，也是嫦娥一号卫星绕地轨道的最后一次变轨。与此前进行的３次加速变轨相比，

此次变轨的难度最大：推力为４９０牛顿的发动机要通过连续[问]

从这段人民日报的新１０多分钟的点火工作，使体重２３００多公斤的“嫦娥”的飞闻来看，你注意到里面的一些数行速度从８千米/秒提高到１０．５８千米/秒以上——这是“嫦据了吗？你能从这段信息

里提娥一号”能够进入地月转移轨道的最低速度。

取什么信息呢？

[答]

8km/s指卫星绕地球运行的速度，要想去月球，必须加大速度。

[师]

为什么速度加大到一定程度就能离开地球呢？

[答]

当地球的万有引力不能提供卫星所需要的向心力的时候，卫星就做离心运动了。

[师]

是的，事实上，根据计算表明，卫星的速度大到11.2km/s的时候，就一定能够摆脱地球的束缚了，变成太阳的行星或者飞向其他行星（例如嫦娥一号）。我们把这个速度称为第二宇宙速度（也叫脱离速度），这时候卫星虽然摆脱了地球的束缚，但它还不能摆脱太阳系的束缚，如果再大下去，达到16.7km/s的时候，卫星将摆脱太阳的束缚。飞到太阳系以外的宇宙空间了。（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．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，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点．）

[板书]

第二宇宙速度：（脱离速度）v≥11.2km/s

卫星能摆脱地球引力，但仍受太阳引力

第三宇宙速度：（逃逸速度）v≥16.7km/s

卫星脱离太阳束缚

[补充讲授] 发射速度与运行速度：

（1）发射速度：指被发射物体在地面附近离开发射装置时的速度（即卫星离开运载火箭时的速度），被发射物体就依靠这个速度克服地球引力进入轨道。不能小于第一宇宙速度。

（2）运行速度：指卫星进入轨道后绕地球作匀速圆周运动的线速度。

因运行轨道的半径大于地球的半径，所以其速度不能大于第一宇宙速度。

（3）两者关系：发射速度≥7.9km/s≥运行速度

[讲授]

卫星的轨道是多样的，主要分为地球同步轨道，太阳同步轨道和极地轨道。

有一种卫星是我们常常听说的：地球同步卫星，它有什么特点呢？

[板书]

地球同步卫星

特点：和地球自转周期相同，与地球顺行，与地面上的物体相对静止。

[问]

那么地球同步卫星的高度应该如何计算呢？

[问题]

已知地球质量M,地球半径R，

地球自转周期为T,求地球同步卫星的高度h=? 2Mm22GMT解答：Gm(Rh)()h3R

22T(Rh)4[师]

对于我们来说，地球质量和自转周期是已经知道的：M=5.89x1024Kg，地球半径R=6.4x106m，这样代入数据，算出来是h=35678km=3.56X107m（约为6.4倍的地球半径）

4

[师] 也就是说，地球同步卫星的高度是一个定值，当然对应的线速度，角速度也都是一个确定的数值了。

[问]

那么，往北京上方35678km处可不可以发射一颗地球同步卫星呢？

[展示]

分析]由于受到万有引力指向地心，所以不能。

[结论]

同步卫星的轨道平面应该与赤道平面重合，并且卫星位于赤道上方35678km处。

[补充]

发射同步卫星要先进入停泊轨道，再进入转移轨道，最后才进入同步轨道，经过两次变轨，中间需要三次加速，技术要求比较高，世界上只有少数国家掌握了这项技术，我国是其中之一。一颗同步卫星可以覆盖地球表面三分之一，三颗等距离的同步卫星就可以实现全球通信，一些节目的实况转播也要通过他们。

[师简单介绍] （通过多媒体进行同步展示）

人造卫星是个兴旺的家族，如果按用途分，它可分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。

应用卫星主要有侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类．

人造地球卫星在电视通讯方面的应用：

电视已成了我们生活的一部分，电视通讯是与千家万户密切相关的事情，如果用中继站转播，每隔50km就要建设一个中继站，要耗费大量的人力、物力，如果用与地球自转周期相同的同步通讯卫星转播，像我们这样大的国家只要有一颗卫星，就连边远地区也能收看到中央台或其他城市的电视节目了，如果在同步轨道上等间隔地放上三颗同步通信卫星，就能实现全球通信，到那时，你想看哪个国家的电视节目就很容易了. 人造地球卫星在气象预报方面的应用：

目前世界各国天气预报，主要靠气象卫星提供数据，气象卫星可以及时发现和大面积跟踪灾害性气象如台风，可以作出极准确的预报，从而减少人类的损失，如在1991年、1999年我国抗洪救灾中，于1988年、1990年发射的两颗“风云号”气象卫星提供的信息对了解灾情、分洪决策等起到了积极的作用. “东方红一号”卫星的主要任务是进行卫星技术试验、探测电离层和大气层密度

人造卫星是人类的“千里眼”和“顺风耳”。

人造卫星上面的照相机和遥感设备帮助人们看的更远更深入，实现“千里眼”的功能。人造卫星上面的接受器和转发器，帮助人们接受和转发信息，实现“顺风耳”的功能。

中国航天的骄傲

★里程碑之一【青铜时代】：

1970年4月24日21时31分，中国“东方红”一号飞向太空。这是中国发射的第一颗人造卫星。

★里程碑之二【白银时代】：

1987年8月，中国返回式卫星为法国搭载试验装置。这是中国打入世界航天市场的首次尝试。

★里程碑之三【黄金时代】：

2003年10月15日，神舟五号载人飞船升空；2005年10月12日，神舟六号搭载两名航天员升空。

★里程碑之四【探月时代】：

2007年10月24日18时05分，搭载着我国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火成功发功

……

5

[教师最后结束语]从１９５８年***发出“我们也要搞人造卫星”的号召到１９７０年“东方红”乐曲响彻太空，用了１２年；从１９９２年载人航天工程立项到２００３年载人航天成功，用了１１年；从２００４年初绕月工程启动到今天嫦娥一号卫星升空，只用了３年多时间……这一组不断缩短的时间表明，在由航天大国到航天强国的道路上，中国航天人的前进步伐越来越快。

太空是人类共有的太空，航天事业是全人类的事业。秉承着和平开发太空资源、造福全人类的一贯宗旨，中国的“嫦娥”工程从一开始就高度开放。中国已经宣布，嫦娥一号卫星传回的月球探测数据将与世界各国科学家共享。这再次彰显了中国航天人所具有的为人类航天事业贡献智慧与力量的高度责任感。

[总结] 1.这节课你学到什么了？

2.给你印象最深刻的是什么？你还想知道些什么？

六、板书设计

7.5人造卫星 宇宙速度

1.宇宙速度

第一宇宙速度（环绕速度）：v17.9km/s 意义：它是人造卫星近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的最大运行速度和最小发射速度．

第二宇宙速度：（脱离速度）v≥11.2km/s 卫星能摆脱地球引力，但仍受太阳引力

第三宇宙速度：（逃逸速度）v≥16.7km/s 卫星脱离太阳束缚

2．地球同步卫星

特点：和地球自转周期相同，与地球顺行，与地面上的物体相对静止。

地球同步卫星的高度计算：

3．人造地球卫星的种类及其应用

七、教后反思

整节课上下来，总体来说，效果不错，学生容易接受，重点比较突出，也留给学生较多的思考活动量，因为是在多媒体教室授课，许多抽象的东西能直观体现，使学生的兴趣比较浓，现在把它归纳成以下几点：

（1）

开头采用情景引入的方式，一下子吸引了学生的注意力，激发了他们对科学的好奇心和学习物理知识的求知欲。

（2）

课堂上学生的活动量要尽量的多，很多问题让学生自己思考，讨论，解决，这样他们的印象会更加深刻，一堂课，可能更多的要关注学生讲了多少，而不是教师讲了多少。

（3）

信息量的扩充，不但丰富了课堂内容，也增强了学生的学习兴趣

这节课也存在不足之处：

（1）

一些地方引导的方法与技巧不够到位，本来想让学生思考提问，但由于问题过于宽泛，学生不知从何说起。

（2）

有时提问后，没有给出学生足够的时间思考。导致有的问题讨论不够深入。

（3）由于准备内容比较多，显得课堂容量较大。应该再精益求精些。一些内容，可以作为课下的扩充资料中。

6