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1、第五节 人造卫星 宇宙速度本节教材分析 本节教材重点讲述了人造地球卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，应使学生确切地理解，第一宇宙速度是卫星轨道半径等于地球半径时，即卫星在地面附近，环绕地球做匀速圆周运动的速度，当轨道半径 r 大地球半径时，卫星绕地球做匀速圆周运动的速度变小.在实际教学时，学生常据课本图 64 所描述的情况得出离地球表面越高的地方，其运行速度越大的错误结论，对此可向学生说明：卫星在椭圆轨道上运行时，它在各点的速度大小是不同的，在近地点速度最大，以后逐渐就小，在远地点速度最小.虽然公式只适用于描述做匀速圆周运动的卫星，但是由椭圆轨道上卫星的运行情况，也可以大致印证当 r 变大时
2、，v 变小.教学目标 一、知识目标 1.了解人造卫星的有关知识.2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度. 二、能力目标通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力.三、德育目标 1.通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情.2.通过简述宇宙的产生过程，使学生明确宇宙将如何演化下去的问 题需要我们不断地去探索增强学生学习物理的兴趣.教学重点 1.第一宇宙速度的推导.2.运行速率与轨道半径之间的关系.教学难点 运行速率与轨道半径之间的关系.教学方法 关于第一宇宙速度和地球同步卫星轨道的教学，采用电教法、推导法、归纳法、讲授法等综合教法进行.教学用具 投影片
3、、CAI 课件（牛顿描绘的人造卫星原理图）、有关天体的录像资料.教学过程教学步骤用投影片出示本节课的学习目标.1.了解人造卫星的有关知识.2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.一、导入新课1.问：在高山上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？（它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远.因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远.） 教师：假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？ 学生进行猜想. 教师总结，并用多媒体模拟. 如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体
4、运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星. （牛顿的设想：物体的速度足够大时，物体不再回到地面，成为地球卫星）人造卫星简介：前苏联 1957 年 10 月 4 日发射第一颗人造地球卫星，卫星重 83.6kg中国 1970 年 4 月 24 日发射第一颗人造地球卫星，卫星重 173kg人造卫星的分类 a轨道分类：同步卫星、极地卫星
5、、任一轨道卫星。b用途分类：通讯卫星、军事卫星、气象卫星等等。同步卫星 a轨道；一定在赤道上空。b必须有一定的高度、周期、线速度、角速度。（为什么？）2.引入：那么人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？本节课我们就来学习这个问题。二、新课教学（一）宇宙速度1.设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转.卫星绕地球运转的向心力由什么力提供？（由卫星所受地球的万有引力来提供.） 据上述关系你能得到什么表达式？， 所以我们得到 在公式中，m为地球质量，G 为引力恒量，r 为卫星轨道半径. 此式为卫星绕地球正常运转的线速度的表达式.2.讨论 v 与 r 之间的关系：（由于 GM 一定，r 越小，线
6、速度 v 越大，反之，r 越大，v 越小.） 由此我们得到：距地面越高的卫星运转速率越小.那么，是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？（向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功.）3.对于靠近地面运行的人造卫星，求解它绕地球的速率.学生解答. 在多媒体实物投影仪上抽查展示解题过程.对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的 r 近似等于地球的半径 R，则 又由 得这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度.4.讨论： 第一宇宙速度是卫星绕地球的最大速度，为什么？为什么说第一宇宙速度是发射人造卫
7、星的最小速度？学生讨论后，教师总结： 第一宇宙速度 v=7.9km/s 可理解成： 一是发射卫星进入最低轨道所必须具有的最小速度. 二是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度，即所有卫星的环绕速度均小于 7.9km/s. 过渡：如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,此时卫星的运行轨道又如何呢？5.教师讲解，并用多媒体模拟： 当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,而小于 11.2 km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆.当物体的速度等于或大于 11.2km/s 时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，这个速度叫做第二宇宙速度，也叫脱离速度. 达到第二宇宙速度的
8、物体还受到太阳的引力，如果使卫星的速度等于或者大于 16.7km/s,这个速度叫做第三宇宙速度.(二）用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料，使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就.三、巩固练习 1.发射一个用来转播电视节目的同步卫星，应使它与地面相对静止，已知地球半径为 6400km,问此卫星应发射到什么高度？2.宇航员坐在人造卫星里，试说明卫星在发射过程中人为什么会产生超重现象？当卫星绕地球做匀速圆周运动时又为什么会产生完全失重现象？四、小结 通过本节课的学习，我们知道了：1.第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km/s 2.第二宇宙速度（脱离速度）v2=11.2km/s
9、3.第三宇宙速度（逃逸速度）v3=16.7km/s五、作业（一）课本 P110 练习二的（3），（4），（5），（6），（7）.（二）思考题：1.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.2.关于第一宇宙速度，下面说法正确的是A 它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度B 它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度C 它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度D 它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度3.在环绕地球运行的宇宙飞船的实验舱内，下
10、面几项实验中可以正常进行的是A.用天平称物体的质量 B.同弹簧秤称物体的重力C.上紧闹钟上的发条 D.用体温表测宇航员的体温4.某行星的卫星，在靠近行星的轨道上飞行，若要计算行星的密度，需要测出的物理量是A.行星的半径 B.卫星的半径 C.卫星运行的线速度 D.卫星运行的周期 5.关于人造地球卫星与宇宙飞船的下列说法中，正确的是A.如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球质量 B.两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和绕行周期就一定是相同的C.原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上
11、前一卫星并发生碰撞，只要将后者速率增大一些即可D.一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出，并离开飞船，飞船因质量减小，所受万有引力减小，故飞行速度减小6.某人造卫星距地面的高度为 h，地球半径为 R，质量为 M，地面重力加速度为 g，万有引力恒量为 G.（1）试分别用 h、R、M、G 表示卫星的周期 T、线速度 v 和角速度 .（2）试分别用 h、R、g 表示卫星的周期 T、线速度 v 和角速度 .7.从地球发出的光讯号垂直于地面发射，讯号到达月球表面时正好能垂直射向水平月面，经反射返回地球被吸收，光速为 c，光讯号往复经历的时间为 t,地球的半径为R，月球的半径为 r,月球绕地球转动的周期为 T，试求地球的质量. 变轨道发射 首先，利用第一级火箭将卫星送到 180200km 的高空，然后依靠惯性进行圆停泊圆停泊 轨道轨道（A） 当到达赤道上空时，第二、三级火箭点火，卫星进入位于赤道平面内的椭圆转移椭圆转移 轨道轨道（B） ，且轨道的远地点（D）为 35800km 当到达远地点时，卫星启动发动机，然后改变方向进入同步轨道同步轨道（C） 这种发射有两个优点：一是对火箭推力要求较低；二是发射场的位置不局限在赤 道上
