《万有引力定律在天文学上的应用 人造卫星的教案示例26205.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《万有引力定律在天文学上的应用 人造卫星的教案示例26205.doc（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、万有引力定律在天文学上的应用 人造卫星的教案示例26205本人精心整理的文档,文档来自网络本人仅收藏整理如有错误还请自己查证！ 万有引力定律在天文学上的应用 人造卫星的教案示例 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）
2、引入新课1.复习提问：（1）物体做圆周运动的向心力公式是什么？分别写出向心力与线速度、角速度、周期的关系式：（2）万有引力定律的内容是什么？如何用公式表示？（对学生的回答予以纠正或肯定）（3）万有引力和重力的关系是什么？重力加速度的决定式是什么？（学生回答：地球表面物体受到的重力是物体受到地球万有引力的一个分力但这个分力的大小基本等于物体受到地球的万有引力如不全面教师予以补充）2.引课提问：根据前面我们所学习的知识我们知道了所有物体之间都存在着相互作用的万有引力而且这种万有引力在天体这类质量很大的物体之间是非常巨大的那么为什么这样巨大的引力没有把天体拉到一起呢？（可由学生讨论教师归纳总结）因为
3、天体都是运动的比如恒星附近有一颗行星它具有一定的速度根据牛顿第一定律如果不受外力它将做匀速直线运动现在它受到恒星对它的万有引力将偏离原来的运动方向这样它既不能摆脱恒星的控制远离恒星也不会被恒星吸引到一起将围绕恒星做圆周运动此时行星做圆周运动的向心力由恒星对它的万有引力提供（教师边讲解边画板图）可见万有引力与天体的运动密切联系我们这节课就要研究万有引力定律在天文学上的应用板书：万有引力定律在天文学上的应用 人造卫星（二）教学过程1.研究天体运动的基本方法刚才我们分析了行星的运动发现行星绕恒星做圆周运动此时恒星对行星的万有引力是行星做圆周运动的向心力其实所有行星绕恒星或卫星绕行星的运动都可以基本上
4、看成是匀速圆周运动这时运动的行星或卫星的受力情况也非常简单：它不可能受到弹力或摩擦力所受到的力只有一种-万有引力万有引力作为其做圆周运动的向心力板书：F万=F向下面我们根据这一基本方法研究几个天文学的问题（1）天体质量的计算如果我们知道了一个卫星绕行星运动的周期知道了卫星运动的轨道半径能否求出行星的质量呢？根据研究天体运动的基本方法：万有引力做向心力F万=F向根据万有引力定律我们知道卫星受到行星的引力为：（指副板书）此时知道卫星的圆周运动周期其向心力公式用哪个好呢？（指副板书）于是我们得到等式两边都有m可以约去说明与卫星质量无关我们就可以得（2）卫星运行速度的比较下面我们再来看一个问题：某行星
5、有两颗卫星这两颗卫星的质量和轨道半径都不相同哪颗卫星运动的速度快呢？我们仍然利用研究天体运动的基本方法：以万有引力做向心力F万=F向设行星质量为M某颗卫星运动的轨道半径为r此卫星质量为m它受到行星对它的万有引力为此时需要求卫星的运行速度其向心力公式用哪个好呢？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行星越近的卫星运动速度越大这是一个非常有用的结论希望同学能够给予重视（3）海王星、冥王星的发现刚才我们研究的问题只是实际问题的一种近似实际问题要复杂一些比如行
6、星绕太阳的运动轨道并不是正圆而是椭圆；每颗行星受到的引力也不仅由太阳提供除太阳的引力最大外还要受到其他行星的引力这就需要更复杂一些的运算而这种运算导致了海王星、冥王星的发现200年前人们认识的太阳系有7大行星：水星、金星、地球、火星、土星、木星和天王星后来人们发现最外面的行星-天王星的运行轨道与用万有引力定律计算出的有较大的偏差于是有人推测在天王星的轨道外侧可能还有一颗行星它对天王星的引力使天王星的轨道发生偏离而且人们计算出这颗行星的可能轨道并且在计算出的位置终于观测到了这颗新的行星将它命名为海王星再后又发现海王星的轨道也与计算值有偏差人们进一步推测海王星轨道外侧还有一颗行星于是用同样的方法发
7、现了冥王星可见万有引力定律在天文学中的应用价值2.人造地球卫星下面我们再来研究一下人造地球卫星的发射及运行情况 （1）卫星的发射与运行最早研究.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走一条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从刚才的分析我们知道要想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重力提供了向心力其中g为地球
8、表面的重力加速度约9.8ms2R为地球的半径约为6.4106m代入数据我们可以算出速度为7.9103ms也就是7.9kms这个速度称为第一宇宙速度板书：第一宇宙速度 v=7.9kms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行星运行时得到一个结论：卫星轨道离行星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
9、同的速度：比如我们以10kms的速度发射一颗卫星由于发射速度大于7.9kms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7.9kms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5kms时卫星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绕地球运行
10、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11.2kms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11.2kms这个速度称为第二宇宙速度板书：第二宇宙速度 v=11.2kms如果物体的发射速度再大达到或超过16.7kms时物体将能够摆脱太阳引力的束缚飞到太阳系外16.7kms这个速度称为第三宇宙速度板书：第三宇宙速度 v=16.7kms（2）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角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
11、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讲：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为什么北京上空没有同步卫星呢？大家来看一下模型（出示模型）：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
12、种资源（可视时间让学生推导同步卫星的高度）（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（北京156中学 王勇毅）
