五、人造卫星　宇宙速度6

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1、第五节第五节 人造卫星人造卫星 宇宙速度宇宙速度教学要求：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。3、了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的几个主要天体层。 4、了解宇宙大爆炸理论。4、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。5、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。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，增强学生学习的兴趣。 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。 难 点：运行速率与轨道半径之间的关系。 教 具：投影仪、CAI 课件、有关

2、天体的录像资料 教学方法：电教、推导、归纳、讲授法教学过程：一、导入新课一、导入新课 教师提问并引导学生复习。 1、万有引力定律在天文学上有何作用？ 2、如何运用万有引力定律计算天体的质量？能否计算环绕天体的质量？ 1970 年 4 月 24 日,我国发射了第一颗人造地球卫星, 到现在我国已发射了多颗人造 地球卫星.1975 年,我国就掌握了使卫星返回地面的回收技术,成为世界上第三个掌握这种 先进技术的国家.1984 年 4 月 8 日, 我国发射了一颗试验通讯卫星, 把卫星准确地运送到 指定位置的同步轨道上.这是一个难度非常大的多维控制问题.同步卫星的定点成功, 标志 着我国在运载火箭和卫星

3、技术方面已加入世界先进行列.近几年,我国一直利用火箭为其 它国家发射卫星.这节课我们来学习人造地球卫星的基本知识. 二、二、新课教学新课教学 一）人造卫星一）人造卫星 教师引导学生阅读课文，同时思考问题。 1、 在地面上抛出的物体为什么要落回地面？ 2、 物体做平抛运动时，飞行的距离与水平初速度有何关系？ 教师引导学生深入探究。 教师在学生活动的基础上总结： 1、 由于月球绕地球沿近似圆周轨道运转，此时月球受到的地球的引力（及重力） ，用来 充当绕地球运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来。牛顿的人造卫星设想:如果地面上空有一个相对于地面静止的物体, 它只受到重力的作用,那么它将做自由 落体

4、运动.如果物体在空中具有一定的初速度, 且初速的方向与重力方向垂直,那么它将做 平抛运动.牛顿就曾设想, 从高山上用不同的水平速度抛出物体,速度一次比一次大,则落 点一次比一次远,如不计空气的阻力,当速度足够大时, 物体就永远不会落到地面上来,而 围绕地球旋转,成为一颗人造地球卫星了.2、宇宙速度宇宙速度:教师引导过渡：从上面学习可知，当平抛物体的初速度足够大时就可成为卫星，那么， 大到什么程度就叫足够大呢？下面我们来讨论这一问题。 教师引导学生阅读课文、回答所提出的问题。 3、 什么是第一宇宙速度？什么是第二宇宙速度？什么是第三宇宙速度？ 4、 卫星绕地球运转的最小半径是多少？ 5、 结合卫

5、星运转的动力学方程，推导第一宇宙速度。第一宇宙速度:提问:当物体一速度达到多大时,物体在重力作用下, 不会落到地面上来,而围绕地球 作圆周运动,成为人造地球卫星呢?当卫星的速度达到一定程度时，就可以围绕地球转动。此时万有引力提供向心力， 下面的推导代数式中 m1代表地球的质量，m2代表卫星的质量：F 消去 m2和一个 r，推出 221 rmGm rmv2vrGm1从上式可见,r 越大,即卫星离地面越高, 它环绕地球运动的速度 V 越小.对于靠近地面 运行的卫星,可以认为 r 近似等于地球的半径 R 地, 地球对物体的引力,近似等于卫星的重 力 mg,则有: V=（gR）1/2 地 将 g=0.

6、0098km/s2和 R地 =6400km 代入上式有:V=7.9km/s 这就是人造地球卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度,叫第一宇 宙速度.也叫环绕速度. 说明： 1） 是最小的发射速度，最大的环绕速度 2） 所有轨道的圆心都在地心上第二宇宙速度:如果人造地球卫星进入轨道的水平速度大于 7.9km/s,而小于 11.2 km/s,它绕地球运行的轨迹就不是圆而是椭圆了.当卫星的速度等于或大于 11.2km/s 的速 度时,卫星就可以挣脱地球的引力的束缚,成为绕太阳运动的人造行星,或飞到其它行星上 去.所以 11.2km/s 这个速度叫做第二宇宙速度.也叫脱离速度说明：是卫星挣

7、脱地球束缚的最小发射速度第三宇宙速度: 达到第二宇宙速度的卫星还受到太阳的束缚, 要想挣脱太阳的束缚,飞到太阳系以外1、 卫星环绕地球运转的动力学方程是什么？ 2、 为什么向高轨道发射卫星比向低轨道发射要困难？的空间,速度必须大于 16.7km/s, 这个速度叫做第三宇宙速度.也叫逃逸速度 是挣脱太阳束缚的最小发射速度。3.人造卫星中的的超重和失重:人造卫星中的人和物体都处于完全失重状态.4.人造卫星的应用:(详见书)该卫星在该星附近轨道发射需最小速度是多少？教师课件演示上面的结论。 若抛出物体的初速度足够大，物体将会怎样？牛顿曾依据平抛现象猜想了卫星的发射 原理，但他没有看到他的猜想得以实现

8、，今天，我们的科学家们把牛顿的猜想变为现实。教师引导学生深入探究问题。 3卫星速度与轨道半径的关系卫星速度与轨道半径的关系：根据卫星速度计算公式 ，可以知道：地球的质量和引力常量是不变的，vrGm1所以了不得的速度决定于它的轨道半径（线速度与轨道半径的平方根成反比）：轨道半 径越大，它的线速度越小，轨道半径越小，它的线速度越大。 如右图：a 卫星的线速度大于 b、c 卫星的线速度，b、c 两卫星因为轨道半径相等， 所以线速度、周期都相等。问题问题上图中三颗卫星的向心加速度哪个大？（根据m2a a= 向心加速度跟轨道半径的二次方成反比。 ）221 rmGm21 rGm教师总结： 1、 卫星绕地球

9、运转的最小半径近似等于地球的半径，即在地球表面绕地运转。 2、 由动力学方程：G=m得：v=2RMm Rv2 RGM由于万有引力近似等于物体的重力，所以动力学方程也可为：mg= m得出Rv2v=。由以上两种方法均可求出。gR教师引导学生阅读课文，了解第二、三宇宙速度。 四.巩固练习:例 1.一颗在圆形轨道上运行的人造地球卫星,轨道半径为 r 时,它的线速度大小为 V. 问:当卫星的轨道半径增大到 2r 时,它的线速度的大小变为多少?例二.宇宙中某星球的半径为地球的 2 倍,星球的质量为地球的 2 倍,若在该星球上发射一 颗卫星，使其环绕该星运动。问教后记： 1、 通过本节学习掌握：第一宇宙速度

10、讲解采用了两个角速度阐释其来由和含义，学生 易于接受：（1）它是绕地球匀速圆周运动的卫星的线速度（环绕速度）的最大值。 （2）从发射卫星的角度讲：是最小的发射速度。纠正学生对“发射速度”概念的误 解，V发是卫星水平进入地面附近轨道处时的速度，V发若小于 7.9km/s，卫星则会 落回地面，不能成为环绕地球的卫星而落回地面；V发若大于 7.9km/s 而小于 11.2km/s，则轨道为椭圆。1、假如一人造地球卫星做圆周运动的轨道半径增大到原来的 2 倍，仍做圆周运动。则 （ ） A.根据公式 V = r 可知卫星的线速度将增大到原来的 2 倍 B.根据公式 F = mv2/r ，可知卫星所受的向

11、心力将变为原来的 1/2 倍 C.根据公式 F = GMm/r2 ，可知地球提供的向心力将减少到原来的 1/4 倍D.根据上述 B 和 C 给出的公式，可知卫星运动的线速度将减少到原来的倍222、人造卫星绕地球做匀速圆周运动，其速率是下列（ ）A.一定等于 7.9km/s B .等于或小于 7.9km/sC.一定大于 7.9km/s D.介于 7.9km/s11.2km/s3、如图所示，a、b、c 是环绕地球圆形轨道上运行的 3 颗人造卫星，它们的质量关系是ma=mbmc，则（ ）A.b、c 的线速度大小相等，且大于 a 的线速度B.b、c 的周期相等，且小于 a 的周期C.b、c 的向心加速

12、度大小相等，且大于 a 的向心加速度D.b 所需向心力最小 4、关于地球同步卫星，下列说法错误的是 ( )A. 它一定在赤道上空运行B它的高度和运动速率各是一个确定值C它的线速度大于第一宇宙速度D它的向心加速度小于 98ms2 5、地球的同步卫星质量为 m，离地面的高度为 h若地球的半径为 R，地球表面处的重 力加速度为 g，地球自转的角速度为 ，则同步卫星所受地球对它的万有引力的大小为 ( )A0 B.mR2g/(R+h)2 Cm(R2g4 )1/3 D以上结果都不正确 6、人造地球卫星做匀速圆周运动，它们沿圆轨道稳定运行时的线速度可以为( ) A.31km/s B.79km/s C.112

13、kms D.167km/s 7、同步卫星离地心距离为 r，运行速率为 v1，加速度为 al，地球赤道上的物体随地球 自转的向心加速度为 a2，第一宇宙速度为 v2，地球半径为 R，下列关系中正确的有( )。A.a1=a2 B.a1/a2=R2/r2 C.v1/v2=R2/r2 D.v1/v2=（R/r）0。5 8、甲、乙两颗人造地球卫星，质量相同，它们的轨道都是圆。若甲的运行周期比乙小， 那么( )。A.甲距地面的高度一定比乙小 B.甲的线速度一定比乙小C.甲的角速度一定比乙大 D.甲的加速度一定比乙小 9、两颗行星 A 和 B 各有一颗卫星 a 和 b,卫星轨道各自接近行星表面，如果两行星质

14、量 之比为 MA/MB=p,两行星半径之比为 RA/RB=q,则两卫星周期之比 Ta/Tb为（ ）A. B.q C.p D.qpqpqp/pq/10、人造卫星在太空运行中，天线偶然折断，天线将 （ ） A.继续和卫星一起沿轨道运行 B.做平抛运动，落向地球 C.由于惯性，沿轨道切线方向做匀速直线运动，远离地球 D.做自由落体运动，落向地球 11、人造卫星在受到地球外层空间大气阻力的作用后，卫星绕地球运行的半径、角速度 和速率将 （ ） A.半径变大，角速度变小，速率不变 B.半径变大，角速度变大，速率变大 C.半径变小，角速度变大，速率变大 D.半径变小，角速度变大，速率不变 12、关于第一宇

15、宙速度，下列说法中正确的是 （ ） . 第一宇宙速度是人造地球卫星环绕运行的最小速度 B. 第一宇宙速度是人造地球卫星环绕运行的最大速度 C. 第一宇宙速度是地球同步卫星环绕运行的速度 D.不同行星的第一宇宙速度都是相同的 13、人造地球卫星 A 和 B,它们的质量之比为 mA：mB=1：2,它们的轨道半径之比 为 2：1,则下面的结论中正确的是（ ）. A.它们受到地球的引力之比为 FA：FB=1：1B.它们的运行速度大小之比为 vA：vB=1：2C.它们的运行周期之比为 TA：TB=2：12D.它们的运行角速度之比为A： B=3：1214、同步卫星是指相对地面不动的人造地球卫星。 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值；D、它只能在赤道的正上方，且离地心的距离是一定的。E、所有地球同步卫星线速度大小,角速度大小,周期大小,轨道半径大小都相等 15、若取地球的第一宇宙速度为 8km/s，某行星的质量是地球质量的 6 倍，半径是地球 的 1.5 倍，则此行星的第一宇宙速度约为：A、16 km/sB、32 km/sC、4km/sD、2km/s 16、人造地球卫星 A、B 绕地球做圆周运动,它们距地面的高度分别为 hA和 hB，地球半 径为