人造衛(wèi)星 宇宙速度
教材分析
本節(jié)重點講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天學(xué)上應(yīng)用的一個非常重要實例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識的一個極好素材。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。學(xué)生通過行星的運動一節(jié)已經(jīng)知道了行星的運動規(guī)律，因此在分析人造衛(wèi)星的運動學(xué)特點，和動力學(xué)特點可采取類比的方法，近而進(jìn)一步理解應(yīng)用萬有引力定律分析天體運動的方法。因此，本節(jié)是“萬有引力定律與航天”中的重點內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究、探索天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對人類在宇宙航行領(lǐng)域中的偉大成就及我國在航天領(lǐng)域成就的了解，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心和自豪感。
學(xué)情分析
學(xué)生已掌握了運動的合成與分解、牛頓運動定律、圓周運動等節(jié)的理論。并在本之前學(xué)習(xí)了天體的運動，和萬有引力定律的知識，能運用萬有引力定律揭示一些天體運動的特點。學(xué)生可以類比行星運動的特點原理自己分析人造衛(wèi)星的規(guī)律。另外學(xué)生也可以利用前面的知識和對宇宙奧秘的好奇心探索人造衛(wèi)星的發(fā)射及宇宙速度。學(xué)生可以通過聯(lián)想上一所學(xué)的對平拋物體的運動的處理方法探究牛頓的思考，以地心為參考系平拋出去的物體從空間運動效果上可分解為指向地心的自由落體運動和繞地心的勻速圓周運動。而這兩個分運動都是變速度運動，它們都需要一個指向地心的力維持它們各自的運動狀態(tài)。因此萬有引力就有要改變兩個運動狀態(tài)的效果，即要既要產(chǎn)生自由落體加速度又要產(chǎn)生向加速度。當(dāng)萬有引力只能提供向心力時，自由落體加速度就變成零，這樣平拋出去的物體就落不下了，從而得到第一宇宙速度。再根據(jù)圓周運動和機(jī)械運動的知識可知道速度再大一些會做橢圓運動或擺脫地球?qū)λ募s束。這樣，人們就可以到更遠(yuǎn)的地方去探索宇宙的奧秘了……
教學(xué)目標(biāo)
知識與技能
1．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識
2．分析人造衛(wèi)星的運動規(guī)律
3．掌握三個宇宙速度的物理意義，
4．會推導(dǎo)第一宇宙速度；
5．簡單了解航天發(fā)展史；
6．能用所學(xué)知識求解衛(wèi)星基本問題。
過程與方法
1．培養(yǎng)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的能力；
2．培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、探索能力；
3．培養(yǎng)學(xué)生在處理實際問題時，如何 構(gòu)建物理模型的能力；
4．學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法培養(yǎng)學(xué)生歸納、分析和推導(dǎo)及合理表達(dá)能力。
情感態(tài)度與價值觀
介紹世界及我國航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)，熱愛科學(xué)的激情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。
教學(xué)重點：
衛(wèi)星運行的動力學(xué)特點規(guī)律，第一宇宙速度的推導(dǎo)。
教學(xué)難點：
1．衛(wèi)星的運行速度與發(fā)射速度的區(qū)別；
2．第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星運行的最大速度
教學(xué)過程
新引入
教師：仰望星空，浩瀚的宇宙蒼穹給人以無限遐想，千百年，人類一直向往能插上翅膀飛出地球，去探索宇宙的奧秘，李白的“俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬明月”是怎樣的一種豪情？到今天這一夢想實現(xiàn)了嗎？
學(xué)生：實現(xiàn)了。（激起學(xué)生興趣）
教師：世界上第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射，揭開了人類探索宇宙的新篇。
提問（1）：1．世界上第一顆人造衛(wèi)星是哪一年由哪一國家發(fā)射的？
2．我國哪一年發(fā)射了自己的人造衛(wèi)星？
3．迄今我國共發(fā)射了多少顆人造衛(wèi)星？
教師：從1970年4月24日東方紅一號的成功發(fā)射，到2007年10月24日嫦娥一號發(fā)射
我國發(fā)射人造衛(wèi)星和其他探測器60多個，他們分別在通信，氣象，探測，導(dǎo)航等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
引入新。
一、人造衛(wèi)星規(guī)律的探究
教師：現(xiàn)在我們地球上空有這么多衛(wèi)星，他們運行的速度一樣嗎？他們是怎樣被發(fā)射升空的今天我們就通過的學(xué)習(xí)解決這一問題。
教師：這是我國目前發(fā)射的部分衛(wèi)星的運行規(guī)律的數(shù)據(jù)。
提問觀察數(shù)據(jù)思考：
1．不同衛(wèi)星的其運行軌道相同嗎？
2．不同的衛(wèi)星運行時有什么規(guī)律？
3．你能試著用你學(xué)過的知識解釋為什么有這樣的規(guī)律嗎？
衛(wèi)星名稱衛(wèi)星質(zhì)量（kg）軌道近地點（km）軌道遠(yuǎn)地點（km）運行周期（h）
返回型遙感衛(wèi)星2100205 315 1．48
東方紅2號甲通信衛(wèi)星44135786 35863 23．9
東方紅2號試驗通信衛(wèi)星46135469 35782 23．76
返回型遙感衛(wèi)星2100175 400 1．5
風(fēng)云1號A750900 901 1．7
巴達(dá)爾150210 992 [高考資網(wǎng)S5U]1．57
大氣1號 873 900 1．712
學(xué)生：1．觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
2．合作交流，類比行星運動特點分析人造衛(wèi)星的運行特點。
3．試著從力和運動的角度分析問題。
教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)。
人造衛(wèi)星運行特點運動學(xué)特點：（板書）
1．軌跡：橢圓 有的近似為圓
2．人造衛(wèi)星的半徑不同，其運行的周期也不同，而且半徑越大，其周期越大。
3．類比行星運動分析原因，衛(wèi)星圍繞地球作勻速圓周運動，需要向心力。
地球和衛(wèi)星之間的引力提供向心力。
4．學(xué)生自己應(yīng)用前面萬有引力知識分析
衛(wèi)星與地球間的萬有引力提供了向心力（板書）
�。�1）由 得 ，
∴r越大，v越�。�
�。�2）由 得 ，
∴r越大， 越�。�
�。�3）由 得 ，
∴r越大，T越大
教師小結(jié)：衛(wèi)星繞地運轉(zhuǎn)軌道半徑越大，速度越小、角速度越小、周期越大；（板書）
演示：幾顆不同軌道衛(wèi)星同時繞地運行動畫,從而直觀判斷以上變化關(guān)系
二、應(yīng)用知識解決問題
教師：學(xué)習(xí)了衛(wèi)星的相關(guān)知識，我判斷一下下列幾種軌道哪一種是可能的為什么？
思考問題1：
下圖中，有三顆人造地球衛(wèi)星圍繞地球運動，它們運行的軌道
可能是 ，不可能是 。
學(xué)生：分組討論闡述觀點
教師：結(jié)合學(xué)生討論引導(dǎo)學(xué)生從動力學(xué)角度解決問題。
衛(wèi)星近似做勻速圓周運動，需要向心力，且向心力時刻指向圓心。所以地球與衛(wèi)星之間指向地心的萬有引力提供向心力，所以衛(wèi)星作圓周運動的圓心應(yīng)該是地心。
思考問題2：
如圖所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運動的3顆衛(wèi)星，
1．試比較三顆衛(wèi)星的線速度、角速度、加速度、周期，萬有引力的關(guān)系。
2．如果c 的速度增加，能否與同軌道的b相撞。
三、衛(wèi)星發(fā)射原理
教師：過渡：不同的軌道的衛(wèi)星其速度不同，那人類是怎樣將衛(wèi)星發(fā)送到指定軌道上的呢？
介紹牛頓的衛(wèi)星設(shè)想（FLASH）
教師引導(dǎo)：我們拋一物體怎樣才能拋的遠(yuǎn)？
討論：依據(jù)平拋運動學(xué)生知道：速度越大，越遠(yuǎn)，那速度足夠大，又有什么現(xiàn)象？
學(xué)生探討：統(tǒng)一結(jié)論：不落回地球。
教師：這時由于有引力在，衛(wèi)星想落回地面，但有一定的速度又落不回地面就形成了衛(wèi)星？
思考：物體需要多大的發(fā)射速度，才能剛好貼著地面轉(zhuǎn)？
學(xué)生討論
教師點撥：這時（r=R）
學(xué)生
得出第一宇宙速度7．9 km/s
四、宇宙速度
1．第一宇宙速度7．9 km/s
定義：人造衛(wèi)星在地面附近繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度。
思考：發(fā)射什么樣的衛(wèi)星最容易？
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統(tǒng)一結(jié)論：高軌道發(fā)射衛(wèi)星比低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，原因是高軌道發(fā)射衛(wèi)星時火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓Α?br /> 以第一宇宙速度發(fā)射衛(wèi)星時其剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運轉(zhuǎn)；
進(jìn)入半徑越大的軌道，所需要的發(fā)射V 越大。
思考：這與剛才得出的半徑越大的軌道，所需要的 運行速度V 越小矛盾嗎？
討論：
人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運行速度是兩個不同的概念。
�。�1）發(fā)射速度
所謂發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進(jìn)入運動軌道。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。若發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星只能“貼著”地面近地運行。如果要使人造衛(wèi)星在距地面較高的軌道上運行，就必須使發(fā)射速度大于第一宇宙速度。
�。�2）運行速度：是指衛(wèi)星在進(jìn)入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度。根據(jù) 可知，人造衛(wèi)星距地面越高（即軌道半徑r越大），運行速度越小。實際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛(wèi)星的實際運行速度一定小于發(fā)射速度。
（板書）運行速度 指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動的線速度
發(fā)射速度 指被發(fā)射物體離開地面時的水平初速度
類比得出：
�。ò鍟�2．第二宇宙速度（脫離速度）：
�、僖饬x：使衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發(fā)射速度。[s5u]
�、谌绻嗽焯祗w的速度大于11．2km/s而小于16．7km/s，則它的運行軌道相對于太陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一個焦點。
�。ò鍟�3．第三宇宙速度（逃逸速度）：
①意義：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。
�、谌绻嗽焯祗w具有這樣的速度并沿著地球繞太陽的公轉(zhuǎn)方向發(fā)射時，就可以擺脫地球和太陽引力的束縛而邀游太空了。
這個速度目前能做到嗎？教師介紹以第三速度發(fā)射的探測器，先驅(qū)者一號。
教師小結(jié)：只有你想不到的，沒有你做不到的。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們探測太空的腳步會越走越快，越走越遠(yuǎn)。也許有一天我們也能到其它星球旅游定居。
但是今天我們就必須掌握一些必備知識。也就是我們這節(jié)的重點。
分層練習(xí)：
C類
1．關(guān)于第一宇宙速度，下面說法：①它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度；②它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最小速度；③它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度；④它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最大速度。以上說法中正確的有（ ）
A．①② B．②③ C．①④ D．③④
B類
2．對于繞地球做勻速圓周運動的人造地球衛(wèi)星，下列說法正確的是（ �。�
A．人造地球衛(wèi)星的實際繞行速率一定大于7．9km/s
B．從衛(wèi)星上釋放的物體將作平拋運動
C．在衛(wèi)星上可以用天平稱物體的質(zhì)量
D．我國第一顆人造地球衛(wèi)星（周期是6．84×103s）離地面高度比地球同步衛(wèi)星離地面高度小
A類
3．三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C在同一平面內(nèi)沿不同的軌道繞地球做勻速圓周運動，且繞行方向相同，已知RA＜RB＜RC 。若在某一時刻，它們正好運行到同一條直線上，如圖所示。那么再經(jīng)過衛(wèi)星A的四分之一周期時，衛(wèi)星A、B、C的位置可能是（ �。�
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