4. 人造卫星 宇宙速度课堂实录【1】

“人造卫星

宇宙速度”教学设计

教学内容

创设情境：

4月12日，中央军委第一次在南海海域举行隆重阅兵，也是新中国历史上规模最大的海上阅兵。在学习新课之前，我们先通过几张照片来感受南海阅兵的盛况（展示图片），在南海阅兵中，航母舰队、核潜艇、战机等纷纷亮相，这些军事装备的背后必须解决的是精确定位问题，一旦发生危险目标，必要时我们要进行精准打击，或者精准拦截，如何进行精准定位呢？背后技术支持的就是卫星定位系统，同学们对卫星定位系统有哪些了解呢？

探究结论：

.1、要知道，卫星导航既是卫星眼，更是数据心。北斗定位与另外三家卫星导航系统：美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球导航卫星系统（格洛纳斯）、欧盟伽利略定位系统，一起被联合国卫星导航委员会认定为全球卫星导航系统四大核心供应商，卫星导航除了民用之外，更多是为了军事战略目的，任何军事打击、精确制导都离不开卫星导航…，导航定位系统就像一双强大的卫星眼，早已变得必不可少。

2、我们国家的北斗卫星导航系统，预计2020年覆盖全球，在3月30日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第三十、三十一颗北斗导航卫星。这是继1月发射和二月发射之后的第三次发射，正式拉开新年度北斗高密度发射序幕。也标志着我国航天航空科技的蓬勃发展。

教师提问：对于人造卫星，我们主要研究的是它的发射、环绕和变轨问题，所以我们首先要探究的问题是，如何发射一颗卫星？

探究活动1：

1、（如何发射？我们先假设在我们站在国家最高的山峰——珠峰，平抛一个物体），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？

【抽学生回答并分析原因：物体抛出后，受到引力作用落到地面，下落高度相同，初速度不同，，所以落地点也不相同】

1

师生活动

学生拓展卫星定位系统知识，了解我国北斗卫星导航系统。

点明课题，教师板书课题。

学生分组讨论，探索物体运动特点，然后展示讨论结果。对学生的展示进行点评与补充。

2、如果我把地面画完整一点，那么地面就画成一个地球，依旧是在山峰上平抛一个小球，所以结合第二章的学习，那么这个小球所做的平抛运动是圆周运动、向心运动还是离心运动？F万与F向满足什么关系？

【向心运动，F万大于F向】

教师和学生一起结合基本公式完成

，使用两个方法求出卫星环绕地球线速度，并板书。

3、假设被抛出物体的速度不断增大，物体的运动情形又如何呢？此时卫星绕地球运转的向心力由什么力提供？

【当速度不断增大，增大到一定值时，F万=F向

，此时做稳定的圆周运动】

4、做圆周运动的轨道半径是多少？已知地球半径R=6.4×106，就是6400km，珠峰高度是约为9km，

【在实际轨道上，有很多这样的观测卫星，一般轨道在2000km以下的，我们称这类轨道高度在2000km以下的为近地卫星，那么轨道高度为9km额卫星就是近地卫星，计算轨道半径时，此时山峰的高度相对于地球半径可以忽略不计，所以轨道半径近似认为为地球半径。

5、此时铅球的速度多大呢？

方法一：万有引力提供物体作圆周运动的向心力

GMmv2GMm,vR2RR

方法二：地表附近，重力近似等于万有引力

GMm

g=9.8m/s2，R=6400km，代入数据得：

2

2gR2GM,R2mgmv,Rv7.9km/s

所以发射卫星的速度能不能小于7.9km/s ?我们把7.9km/s称为第一宇宙速度。

教学内容

教师提问2：

1、卫星绕地球环绕做圆周运动，不同轨道环绕速度随半径如何变化？

师生活动

学生思考并讨论，请同学发言说明其观点与思考结果。

教师鼓励学生用已近学习过的知识来解决目前所遇到的问题

学生分析出向心力与万有引力的大小关系，很容易分析出当速度＞7.9 km/s是物体将做离心运动。教师板书。

学生思考并分析物体受力情况，得出轨GMmv2GMm,v2RRR

【做圆周运动的天体，R越大，v越小，所以v1=7.9km/s除了是最小发射速度之外，还有一层含义是什么？——最大环绕速度】

2、如果v1>7.9km/s,卫星会做怎样在运动？

【如果速度增大，所需要的向心力增大，物体将做离心运动，即轨道变成椭圆。】

3、如果速度再继续增大呢？

【万有引力不能提供向心力了，所以就不再绕地球运行，为太阳的行星，我们把这个脱离地球的速度称为第二宇宙速度，大小为=11.2km/s】

4、如果卫星从地面飞出时的速度再继续增大呢？

【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。v=16.7 km/s,】

小结：关于卫星的发射，我们就学习了三个速度，其中第一宇宙速度特别一点，它既是最小的发射速度，又是最大的环绕速度，第二宇宙速度呢？大小为11.2km/s，它是脱离地球束缚的发射速度；第三宇宙速度呢？大小为16.7km/s，它是脱离太阳束缚的发射速度。

教师提问3：

1、

当人造卫星被发射后，在我们的地球周围又是如何运行的呢？同学们能不能试着画出卫星的运行轨道呢？

1）

赤道轨道卫星

2）

倾斜轨道卫星

3）

极地卫星：轨道面与赤道面垂直，极地卫星一般作为侦查卫星或者是气3

象卫星？为什么？

道不合理的【由于卫星的运转，加上地球的自转，极地卫星可以全面的观察地球】原因，教师引导，让学/ 生充分参与②学生探究人造卫星运行规律，讨论发言，教师总结归纳．

课堂教学，不同轨道有不同的线速度，轨道半径

r

越大，线速度

v

越小；

真正成为课不同轨道有不同的角速度，轨道半径

r

越大，角速度ω越小；

堂的主体．

不同的轨道有不同的运行周期，轨道半径

r 越大，周期

T

越大；

学生了解

不同轨道有不同的向心加速度，轨道半径

r

越大，向心加速度越小．

近地卫星、

极地卫星、

最后，我们不得不提一类卫星，它位于在赤道平面上，它所运行的轨道被称为黄金轨道，这一类卫星是什么卫星呢？

【地球同步卫星】

我们要解决的第一个问题

1、什么是地球同步卫星？

【既然称为同步，即地球是自西向东转动，那么地球同步卫星也必须是自西向东转动，并且你一天转360度，那么卫星也是转360度，所以运动学中的w相同、T也相同】

2、为什么地球同步卫星轨道一定在赤道平面？

【同步卫星轨道只能是水平的，只能在赤道平面，也就是，如果有一个人站同步卫星轨道特点，教师拓展极地卫星和地球同步卫星应

用。

在赤道上，头顶上有一地球同步卫星，无论什么时候去看，卫星都在头顶上，

是相对静止的】

3、地球同步卫星高度是否确定？线速度是否确定？大小是多少？

【学生计算】

4、为什么说同步卫星轨道是黄金轨道？

【轨道高度一定，那就意味着全球人民共同拥有一条轨道，为了防止卫星之间相互干扰，两卫星间应该有一定的距离，所以卫星数量就是一定的，并且同步卫星也可认为是相对

静止的，所以它对地球的覆盖区域基本是稳定的，这也就是同步卫星为什么会被用作通讯卫星的原因。】

根据推导，学生明确同步卫星轨道一定。

学生熟悉分析思路与方法，得出卫星运行规律

4

教学内容

例1、某人在一星球上以速率

v

竖直上抛一物体,经时间

t

后,物体以速师生活动

学生独立率

v

落回手中。已知该星球的半径为

R ,求该星球上的第一宇宙速度。

完成习题，

师生观察学解析：星球表面的重力加速度：

生分析情况进行指导，请同学分析例题，交流心得。

学生独立完成练习，及时运用所学知识解决g2vt

第一宇宙速度为卫星在其表面附近做匀速圆周运动的线速度卫星的重力提供向心力,则：

v12mgmR

该星球表面的第一宇宙速度为

2vRv1gRt

例2.

（多选）探测器绕月球做匀速圆周运动，变轨后在周期较小的轨道上仍做匀速圆周运动，则变轨后与变轨前相比(

) A . 轨道半径变小

B . 向心加速度变大

C . 线速度变小

D . 角速度变小

解析：万有引力提供向心力,则：

Mm42r3T2G2m2rGMrT整理得：

可知周期

T 较小的轨道，其半径

r也小，A正确；

GMmv2mammrn2rr2MMManG2，vG，G3

rrr

整理得：

练习：

1．(对三个宇宙速度的理解)(多选)下列关于三个宇宙速度的说法中正确的是(

) A．第一宇宙速度v1＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/s，则人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1，小于v2

B．美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，其发射速度大于第三宇宙速度

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C．第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度

D．第一宇宙速度7.9 km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度

2、（地球同步卫星）关于我国发射的“亚洲一号”地球同步通讯卫星的说法，正确的是(

) A．若其质量加倍，则轨道半径也要加倍

B．它在北京上空运行，故可用于我国的电视广播

C．它以第一宇宙速度运行

D．它运行的角速度与地球自转角速度相同

3、. (人造卫星运动的规律).如图所示，a、b、c是地球大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同，且小于c的质量，则（

）

A

. b所需向心力最大

B

. b、c周期相等，且大于a周期

C . b、c向心加速度相等，且大于a的向心加速度

D . b、c的线速度大小相等，且小于a的线速度

实际问题

师生总结：1、第一宇宙速度是最小发射速度，是最大运行速度。

2、所有同步卫星的T、r、v、ω及a的大小均相同，但因质量可能不同，所受万有引力(向心力)可能不同．

3、地球卫星的a、v、ω、T由地球的质量M和卫星的轨道半径r决定，与卫星的质量、形状等因素无关．

课堂总结与思考

请同学们讨论与分享. 1、

你能说说第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度的意义吗？是否能计算出第一宇宙速度大小？

2、

人造卫星运行规律又是如何？

2、思考与预习：教材54页发展空间介绍了地球同步卫星，仔细阅读，了解卫星发射的不同方法。下节课我们将学习卫星发射的方法和原理。

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板书设计：

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