4. 人造卫星 宇宙速度教学目标

人造卫星宇宙速度教案

[教学目标]

（一）知识与技能

（1）了解人造卫星的有关知识，分析人造卫星的运动规律，

能用所学知识求解卫星基本问题

（2）掌握三个宇宙速度的物理意义，会推导和计算第一宇宙速度；

（二）过程与方法

1．通过图片和视频播放激发学生的学习兴趣和爱国热情

２．培养学生在处理实际问题时，构建物理模型的能力；

３．通过卫星运动规律的推导培养学生科学推理、探索能力；学习科学的思维方法培养学生归纳、分析和推导及合理表达能力。

（三）情感态度与价值观

介绍世界及我国航天事业的发展现状，激发学习科学，热爱科学的激情，增强民族自信心和自豪感。

［教学重点、难点］

教学重点：卫星运行的动力学特点、规律，第一宇宙速度的推导。

教学难点：卫星的运行速度与发射速度的区别；第一宇宙速度既是卫星发射的最小速度，又是卫星运行的最大速度。

[课时] 2节

［教学过程］㈠．复习引入

［提问］万有引力公式？应用万有引力定律解题的思路？

牛顿根据万有引力定律预言发射人造卫星的可能

㈡新课内容

一．人造卫星

1介绍牛顿预言（播放PPT）

2.东方红卫星发射等视频

3.[提问]卫星的动力学原理（特点）

万有引力作向心力，[板书：F万＝Ｆ向]

思考

有三颗人造地球卫星围绕地球运动，它们运行的轨道可能是 ，不可能是 。

结论：轨道在以地心为圆心的大圆，或地球为焦点的椭圆。

4.[探索]卫星的向心加速度、线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。

请四位同学到黑板上推导，已知地球质量MＥ，卫星轨道半径r，卫星质量m，求:a、V、T、ω得出：

师生一起分析得出卫星运动的特点：[板书]①a、V、T、ω参量都只与中心天体的质量和轨道半径r有关，与卫星质量无关，②半径越大，a越小，V越小，ω越小，T越大，③r、a、V、T、ω一定五定，同一轨道上:a的大小、V的大小、T、ω相同。④比列规律：

说明：上述规律不只适用于地球的卫星，其他中心天体和环绕体也适用。

应用上述规律思考：如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运动的3颗卫星，

（1）．试比较三颗卫星的线速度、角速度、加速度、周期，万有引力的大小关系。

（2）．如果c 的速度增加，能否追上同轨道的b？。

不能，c加速后会做离心运动

5.同步卫星

请学生阅读教材发展空间（地球同步卫星）找出知识点：a。轨道在赤道上空，请问为什么？b。T＝1天＝２４小时（卫星与地球自转同步，卫星相对地球静止）。c。卫星的高度H＝？请学生推导．

二．宇宙速度

１．第一宇宙速度

［提问］什么是卫星第一宇宙速度？定义：人造卫星在地面附近绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度。

根据讨论卫星绕地球运行的最大速度多大？

请学生证明第一宇宙速度的表达式：①

②

请学生记住地球的第一宇宙速度V1＝７.９km/s

[提问]发射什么样的卫星最容易？

高轨道还是底轨道？为什么？

结论：高轨道发射卫星比低轨道发射卫星困难，原因是高轨道发射卫星时火箭要克服地球对它的引力做更多的功。

分析：第一宇宙速度发射卫星时其刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；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；进入半径越大的轨道，所需要的发射V 越大。

讨论：这与刚才得出的半径越大的轨道，所需要的运行速度V 越小矛盾吗？为什么？

不矛盾，人造卫星的发射速度与运行速度是两个不同的概念。

1）发射速度

所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，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的高度，进入运动轨道。要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。若发射速度等于第一宇宙速度，卫星只能“贴着”地面近地运行。如果要使人造卫星在距地面较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于第一宇宙速度。

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线速度。当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度。根据可知，人造卫星距地面越高（即轨道半径r越大），运行速度越小。实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，所以卫星的实际运行速度一定小于发射速度。

[板书] 运行速度 指卫星在稳定的轨道上绕地球转动的线速度

发射速度 指被发射物体离开地面时的水平初速度

结论：第一宇宙速度是最大的运行速度也是最小的发射速度

2.第二宇宙速度

①意义：使卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度。

②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。

3.第三宇宙速度

①意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。

②如果人造天体具有这样的速度并沿着地球绕太阳的公转方向发射时，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而邀游太空了。

课堂练习

1.在某星球上以初速度V0竖直向上抛一小球，经时间t小球落回手中，已知星球半径R，求此星球的第一宇宙速度。

2.已知地球质量是月球质量的81倍，月球半径是地球半径的四分之一，地球的第一宇宙速度为7.9km/s,求月球的第一宇宙速度。