4. 人造卫星 宇宙速度优秀教学设计

人造卫星 宇宙速度

导学案

【课程标准】

1．了解人造卫星的最初构想

2．知道人造卫星的发射与运行原理，会分析人造卫星的受力和运动情况

3．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度

【学习目标】

1．知道天体运动中的向心力是由万有引力提供的

2．了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时各物理量之间的关系

3．知道三个宇宙速度的含义，根据万有引力定律公式和向心力公式会推导第一宇宙速度（实质是牛顿第二定律的应用）；

4．简单了解人造卫星发射基本原理和一点同步卫星的知识，了解人造卫星在科技各个方面的作用。

自主预习案

准备知识复习：

卫星围绕地球的运动看作匀速圆周运动。

1、匀速圆周运动的合力与其向心力有什么关系？

2、向心力的计算公式是什么？

3、万有引力定律内容及公式是什么？

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课中探究案

探究一.人造卫星的运行原理和轨道

1．[演示] 让同一个物体从同一高度以不同的速度水平抛出. ，最终要落回地面的主要原因是___________，________________.（受重力的作用；初速度不够大）

2．若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？

_____________________________________________________________ 3．简化模型：运动轨迹是

。

物体只受

作用。

4．原理：引力提供向心力：

。

5. 人造地球卫星轨道

由于卫星所需要的向心力是由地球对它的万有引力提供的。而万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心一定在地心。也就是说圆心是地心的轨道才能成为卫星的运行轨道，就只有以下三种情况

①

赤道轨道：卫星轨道在赤道平面，卫星始终处于赤道上方；

②

极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星通过两极上空；

③一般轨道，卫星轨道和赤道成一定角度。

对点练习1：如图所示的三个人造地球卫星，则说法正确的是（

）

①卫星可能的轨道为a、b、c

②卫星可能的轨道为a、c ③卫星可能的轨道为a、c

④卫星可能的轨道为a A．①③是对的

B．②④是对的

C．②③是对的

D．①④是对的

[来源学+科+网]北

b a c

探究二. 人造卫星的动力学原理

原理：F=___________=_____________=___ _________=_____________（引力提供向心力）

1．线速度与半径的关系：v =_________轨道半径越大速度越_____；

2．角速度与半径的关系：w =_________轨道半径越大速度越_____；

3．周期与半径的关系：T =__________轨道半径越大速度越_____；

4．向心加速度与半径的关系：a =_______轨道半径越大速度越____；

对点练习2：有两个人造地球卫星，都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比r1:r2=4:1，求这两个卫星的：（1）线速度之比；（2）角速度之比；（3）向心加速度之比；（4）运动周期之比。

[来源学科网ZXXK] 探究三.人造卫星的宇宙速度

1．第一宇宙速度(最小发射速度)：

⑴设想：当物体一速度达到某一数值时,物体抛出后在重力作用下, 不会落到地面上来,而贴着地球表面作圆周运动,成为人造地球卫星。从地球表面发射人造地球卫星，一般使用三级火箭，最后一级火箭脱离时卫星的速度称为发射速度，使卫星能环绕地球运行所需的最小发射速度叫做第一宇宙速度。

⑵已知：地球半径R、质量M、地球表面重力加速度g、引力常量G、卫星质量m，试用两种方法推导出地球人造卫星的第一宇宙速度。

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方法一：设地球质量为M，半径为R，绕地球做匀速圆周运动的飞行器的质量为m，飞行器的速度（第一宇宙速度）为v1。飞行器运动所需的向心力是由 提供的，近地卫星在“地面附近”飞行，可以用地球半径R代表卫星到地心的距离，根据牛顿第二定律得方程： ________________________________ ，

可解出v1

=___________ __=___ _______ __ km/s。

方法二：物体在地球表面受到的引力可以近似认为等于重力，所以 ____ ，解得v1

=___ ______ __=___ _____ __ km/s。

2．第二宇宙速度(脱离速度)：

如果人造地球卫星进入轨道的水平速度大于

km/s,而小于

km/s,它绕地球运行的轨迹就不是圆而是

。当卫星的速度等于或大于

km/s的速度时,卫星就可以挣脱

的引力的束缚,成为绕

运动的人造行星,或飞到其它行星上去。所以

km/s这个速度叫做第二宇宙速度.也叫

速度。

3．第三宇宙速度(逃逸速度)：

达到第二宇宙速度的卫星还受到

的束缚, 要想挣脱太阳的束缚,飞到太阳系以外的空间,速度必须大于

km/s, 这个速度叫做第三宇宙速度.也叫

速度。

对点练习3：

要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度是________km/s，要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于________km/s，要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于________km/s. 探究四.人造卫星的发射速度和运行速度

1．发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的___________，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定高度，进入运动轨道。要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于_____________速度。

2．运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的___________。当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于___________速度。

3．第一宇宙速度是最小的

速度，最大的

速度。

对点练习4：设地球半径为R，一颗人造卫星在离地面高度h=R的圆形轨道上运行，其运行速度是第一宇宙速度的多少倍?。

探究五、同步卫星的特点

1．同步卫星绕地球的运行方向与地球自转方向_________ 2.且同步卫星的运行周期与地球自转周期相同(即等于__________h)。

3．同步卫星运行的圆形轨道必须与地球的赤道平面_________。

4．同步卫星的的轨道高度_________ (距地面3．6万公里)。

同步练习5：由于通信和广播等方面的需要，许多国家发射了地球同步卫星，这些卫星（

）

A.质量可以不同

B.轨道半径可以不同

C.轨道平面可以不同

D.速率可以不同

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探究六.有关人造卫星的超重和失重

人造卫星在发射上升加速阶段和回收减速下落阶段，加速度向上，处于________,座椅对宇航员的支持力_____宇航员的重力. 人造卫星进入轨道正常运行后，地球对宇航员的万有引力提供宇航员所需要的向心力，使得宇航员对座椅的压力等于零。宇航员处于_______.这时凡与重力有关的力学现象将消失或力学实验将无法进行

对点练习6.在环绕地球运行的宇宙飞船上的实验舱内，下面几项实验中可以正常运行的是（

）

A. 用天平称物体的重量

B. 用弹簧秤称物体的重力

C. 上紧闹钟上的发表

D. 用体温表测宇航员的体温

【典例剖析】

1.

如图1所示，在同一轨道平面上的几个人造地球卫星A、B、C，在某一时刻恰好在同一直线上，下列正确说法有（

）

A．根据Vgr，可知VA＜VB＜VC

B．根据万有引力定律，FA＞FB＞FC

1 D．运动一周后，A先回到原地点

2.

若人造地球卫星以地心为圆心做匀速圆周运动，下列说法中正确的是（

）

A.

半径越大，速度越小，周期越小

B.

半径越大，速度越小，周期越大

C.

所有卫星的线速度均是相同的，与半径无关

D.

所有卫星的角速度均是相同的，与半径无关

3.

我国已发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”。设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面。已知月球质量是地球质量的1/81，月球半径是地球半径的1/4，地球上的第一宇宙速度为7.9km/s，则该探月卫星的第一宇宙速度为（ ）

A．0.4 km/s B．1.8 km/s C．11 km/s D．36 km/s

4.在圆轨道上运动的质量为m的人造地球卫星,它到地面的距离等于地球半径R.地面上的重力加速度为g,则( )[来源:Z*xx*k.Com]C．向心加速度aA＞aB＞aC

A.卫星运动的速度为2Rg B.卫星运动的加速度为C.卫星运动的周期为41g2[来源:Zxxk.Com]

2R D.卫星的轨道半径为R g5.同步卫星是指相对于地面不动的人造卫星（

）

A.

它可以在地面上任一点的正上方，且离地心的距离可按需要选择不同的数值

B.

它可以在地面上任一点的正上方，但离地心的距离是一定的

C.

它只能在赤道的正上方，但离地心的距离可按需要选择不同的数值

D.

它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的

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