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1、万有引力定律在天文学上的应用人造卫星教案 - 学科92441自己收藏的觉得很有用故上传到百度与大家一起分享！人造卫星宇宙速度一、教学目标1通过对行星绕恒星的运动及卫星绕行星的运动的研究使学生初步掌握研究此类问题的基本方法：万有引力作为物体做圆周运动的向心力2使学生对人造地球卫星的发射、运行等状况有初步了解使多数学生在头脑中建立起较正确的图景二、重点、难点分析1天体运动的向心力是由万有引力提供的这一思路是本节课的重点2第一宇宙速度是卫星发射的最小速度是卫星运行的最大速度它们的统一是本节课的难点三、教具:自制同步卫星模型四、教学过程(一)引入新课1复习提问：解决天体运动的两条思路是什么?万有引力作
2、为其做圆周运动的向心力板书：F万=F向在地球表面的物体重力近似等于万有引力2引课提问：我们在看电视实况转播时总听到解说员讲：电视机前的观众朋友们：我们正在通过太平洋上空或印度洋上空的通讯卫星转播电视实况那么卫星是如何发射出去的？人造卫星的运行速率与其轨道半径有何关系？本节课我们就来学习-人造卫星 宇宙速度板书：人造卫星 宇宙速度(二)教学过程1 卫星运行的速度人造卫星的运行速率与其轨道半径有何关系？引导：人造卫星绕地球运转的向心力由什么力提供？（万有引力）设地球质量为M某颗卫星运动的轨道半径为r此卫星质量为m它受到地球对它的万有引力为等式两边都有m可以约去说明与卫星质量无关于是我们得到从公式可
3、以看出卫星的运行速度与其本身质量无关与其轨道半径的平方根成反比轨道半径越大运行速度越小；轨道半径越小运行速度越大换句话说离地球越近的卫星运动速度越大（同学们推导角速度、周期与半径的关系）2、人造地球卫星的发射下面我们再来研究一下人造地球卫星的发射及运行情况最早研究人造卫星问题的是牛顿他设想了这样一个问题：在地面某一高处平抛一个物体物体将沿抛物线落回地面物体初速度越大飞行距离越远考虑到地球是圆形的应该是这样的图景：(板图)当抛出物体沿曲线轨道下落时地面也沿球面向下弯曲物体所受重力的方向也改变了当物体初速度足够大时物体总要落向地面总也落不到地面就成为地球的卫星了3、宇宙速度从刚才的分析我们知道要想
4、使物体成为地球的卫星物体需要一个最小的发射速度物体以这个速度发射时能够刚好贴着地面绕地球飞行此时其万有引力近似等于重力提供了作圆周运动的向心力其中g为地球表面的重力加速度约9.8m/s2R为地球的半径约为6.4106m代入数据我们可以算出速度为7.9103m/s也就是7.9km/s这个速度称为第一宇宙速度（环绕速度）板书：第一宇宙速度v=7.9km/s第一宇宙速度是发射一个物体使其成为地球卫星的最小速度若以第一宇宙速度发射一个物体物体将在贴着地球表面的轨道上做匀速圆周运动若发射速度大于第一宇宙速度物体将在离地面远些的轨道上做圆周运动现在同学思考一个问题：刚才我们分析卫星绕地球运行时得到一个结论
5、：卫星轨道离地球越远其运动速度越小现在我们又得到一个结论：卫星的发射速度越大其运行轨道离地面越远这两者是否矛盾呢？其实它们并不矛盾关键是我们要分清发射速度和运行速度是两个不同的速度：比如我们以10km/s的速度发射一颗卫星由于发射速度大于7.9km/s卫星不可能在地球表面飞行将会远离地球表面而卫星远离地球表面的过程中其在垂直地面方向的运动相当于竖直上抛运动卫星速度将变小当卫星速度减小到7.9km/s时由于此时卫星离地球的距离比刚才大根据万有引力定律此时受到的引力比刚才小仍不能使卫星在此高度绕地球运动卫星还会继续远离地球卫星离地面更远了速度也进一步减小当速度减小到某一数值时比如说5km/s时卫星
6、在这个位置受到的地球引力刚好满足卫星在这个轨道以这个速度运动所需向心力卫星将在这个轨道上运动而此时的运行速度小于第一宇宙速度所以第一宇宙速度是发射地球卫星的最小速度是卫星地球运行的最大速度板书：第一宇宙速度是发射地球卫星的最小速度是卫星绕地球运行的最大速度如果物体发射的速度更大达到或超过11.2km/s时物体将能够摆脱地球引力的束缚成为绕太阳运动的行星或飞到其他行星上去11.2km/s这个速度称为第二宇宙速度（脱离速度）板书：第二宇宙速度v=11.2km/s如果物体的发射速度再大达到或超过16.7km/s时物体将能够摆脱太阳引力的束缚飞到太阳系外16.7km/s这个速度称为第三宇宙速度板书：第
7、三宇宙速度v=16.7km/s4、同步通讯卫星下面我们再来研究一种卫星-同步通信卫星这种卫星绕地球运动的角速度与地球自转的速度相同所以从地面上看它总在某地的正上方因此叫同步卫星这种卫星一般用于通讯又叫同步通讯卫星我们平时看电视实况转播时总听到解说员所说的太平洋上空或印度洋上空的卫星都是通讯卫星在北京上空有没有同步卫星呢？同步卫星有何特点呢？大家来看一下模型(出示模型引导学生讨论) 若在北纬或南纬某地上空真有一颗同步卫星那么这颗卫星轨道平面的中心应是地轴上的某点而不是地心其需要的向心力也指向这一点而地球所能够提供的引力只能指向地心所以北纬或南纬某地上空是不可能有同步卫星的另外由于同步卫星的周期与
8、地球自转周期相同所以此卫星离地球的距离只能是一个定值换句话说所有地球的同步卫星只能分布在赤道正上方的一条圆弧上而为了卫星之间不相互干扰大约3度角左右才能放置一颗卫星地球的同步通讯卫星只能有120颗可见空间位置也是一种资源(让学生推导同步卫星的高度)同步通讯卫星的特点：1、在赤道平面内2、与地球自转方向相同3、高度一定值得说明的是：卫星在发射的过程中处于超重状态和在升降机中相同卫星进入轨道在正常运行的过程中卫星中的物体处于完全失重状态凡是工作原理与重力有关的仪器（天平水银气压计）在卫星中都不能正常使用凡是与重力有关的实验都无法进行(三)课堂小结本节课我们学习了如何用万有引力定律来研究天体运动的问
9、题；掌握了万有引力是向心力这一研究天体运动的基本方法；了解了卫星的发射与运行的一些情况；知道了第一宇宙速度是卫星发射的最小速度是卫星绕地球运行的最大速度最后我们还了解了通讯卫星的有关情况本节课我们学习的内容较多希望及时复习五、说明1设计思路：本节课是一节知识应用与扩展的课程所以设计时注意加大知识含量引起学生兴趣同时注意方法的培养让学生养成用万有引力是天体运动的向心力这一基本方法研究问题的习惯避免套公式的不良习惯围绕第一宇宙速度的讨论让学生形成较正确的卫星运动图景2同步卫星模型是用一地球仪改制而成用一个小球当卫星小球与地球仪用细线相连细线的一端可在地球仪的不同纬度处固定六、板书设计：1、卫星运行的速度2、人造地球卫星的发射3、宇宙速度 第一宇宙速度v=7.9km/s 第二宇宙速度v=11.2km/s 第三宇宙速度v=16.7km/s4、同步通讯卫星特点：、在赤道平面内、与地球自转方向相同、高度一定
