6.5人造卫星宇宙速度
一、素质教育目标
(一)知识教学点
1.了解人造卫星的有关发射、运行的知识
2.知道三个宇宙速度的含义,会推导第一宇宙速度
(二)能力训练点
培养学生对知识的转化能力
(三)德育渗透点
通过介绍我国航天技术的发展水平,激发他们学习科学知识的热情,培养他们的民族自豪感.
(四)美育渗透点
通过对天体运动轨迹的描绘展示了物理图像的形式美.
二、学法引导
通过教师的讲解和分析,使学生了解人造卫星的运转原理及规律.
三、重点难点疑点及解决办法
1.重点
卫星运行的速度、周期、加速度
2.难点
卫星运动的速度和卫星发射速度的区别
3.疑点
同步通讯卫星为什么要定点在赤道正上方的确定轨道上?如何发射同步卫星?
4.解决办法
理解万有引力是人造卫星做圆周运行的向心力,从而求得卫星的运动速度,周期,加速度就是由它离地心距离r惟一因素决定的.
四、课时安排
1课时
五、教具学具准备
自制同步卫星模型
六、师生互动活动设计
1.教师通过讲解、分析、介绍人造卫星的运动规律及相关的航天知识.
2.学生通过讨论,阅读相关的材料扩大知识面,通过例题的分析巩固知识.
七、教学步骤
(一)明确目标
(略)
(二)重点、难点的学习与目标的完成过程
1.卫星运动的速度,周期,加速度.
卫星脱离助推火箭后,获得了一定的速度v,设卫星绕地球做圆周运动,其运行半径为r,根据万有引力等于向心力可得:
G
等式两边都有m,可以约去,说明卫星的速度与其质量无关,我们得到:
(1)
由r得:
T=(2)
由G=ma得:
a=G(3)
从公式(1)、(2)、(3)式中可以看出,地球卫星的运动情况(速度、周期、加速度)是由r惟一决定的.轨道半径越大,卫星运行速度越小,周期越大,加速度越小;轨道半径越小,运行速度越大,周期越小,加速度越大.当卫星运动的半径等于地球半径为R时,卫星运动速度,周期和速度的大小分别为:v=7.9×m/s,T=5100s,a=9.8m/.
所以所有的人造地球卫星的运行速度v<7.9×m/s,运行周期T>5100s,运行的加速度a<9.8m/.
2.同步通讯卫星
同步通讯卫星从地面上看,它总是某地的正上方,因而它的运动周期和地球自转周期相同;且它的轨道必然要和赤道平面处在同一个平面内(让学生讨论同步卫星为什么要满足这两个条件,并计算出同步卫星距地面的高度h)
同步卫星一般用于通讯,我们平时看电视,实况转播等就是通过卫星实现的,我国已成功地发射了多颗同步卫星,丰富了我国人民的文化生活.
3.卫星的发射速度
最早研究人造卫星问题的是牛顿,他设想了这样一个问题,在地面某处平抛一个物体,物体将沿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,如果初速度很大,抛出的物体总也落不到地面就成了人造地球卫星了.
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,此时万有引力F=mg,提供了卫星运动的向心力,即:
mg=m
我们可以求出这个最小速度
v==7.9×m/s
这个速度称为第一宇宙速度
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,物体将在椭圆轨道上离心运动.若物体发射的速度达到或超过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.11.2km/s称为第二宇宙速度,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束缚,飞到太阳系外.16.7km/s称为第三宇宙速度.
(三)总结、扩展
本节课我们学习了卫星发射和运行的一些情况.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.
八、布置作业
1.(2)
2.(4)
3.(7)
九、板书设计
五、人造卫星宇宙速度
1.卫星运行的速度、周期、加速度
v=
T=
a=G
2.卫星的发射
(1)第一宇宙速度
mg=m
v==7.9×km/s
(2)第二宇宙速度v=11.2km/s
(3)第三宇宙速度V=16.7km/s
3.同步卫星
十、背景知识与课外阅读
万有引力定律的发现
万有引力定律的发现是近代经典物理学发展的必然结果.科学史上普遍认为,这一成果应该归功于伟大的牛顿.但是,其他杰出的科学家如胡克、哈雷等在这一方面也做出了非常重要的贡献.但与牛顿相比,他们的观点和研究方法总是存在着这样或那样的缺陷,最终与跨时代的科学发现失之交臂.
早在1661年,罗伯特胡克就已觉察到引力和地球上物体的重力有同样的本质.1662年和1666年,他曾在山顶上和矿井下用测定摆的周期的方法做实验,企图找出物体的重量随离地心距离而变化的关系,但没有得出结果,在1674年的一次演讲“证明地球周年运动的尝试”中,他提出要在一致的力学原则的基础上建立一个宇宙学说,为此提出了以下三个假设:“第一,据我们在地球上的观察可知,一切天体都具有倾向其中心的吸引力,它不仅吸引其本身各部分,并且还吸引其作用范围内的其他天体.因此,不仅太阳和月亮对地球的形状和运动发生影响,而且地球对太阳和月亮同样也有影响,连水星、金星、火星和木星对地球的运动都有影响.第二,凡是正在作简单直线运动的任何天体,在没有受到其他作用力使其沿着椭圆轨道、圆周或复杂的曲线运动之前,它将继续保持直线运动不变.第三,受到吸引力作用的物体,越靠近吸引中心,其吸引力也越大.至于此力在什么程度上依赖于距离的问题,在实验中我还未解决.一旦知道了这一关系,天文学家就很容易解决天体运动的规律了.”胡克首先使用了“万有引力”这个词.他在这里提出的这三条假设,实际上已包含了有关万有引力的一切问题,所缺乏的只是定量的表述和论证.但是,胡克缺乏深厚的数学基础和敏捷的逻辑思维能力.他错误的认为,目前需要的是更加准确的实验数据,而没有想到精确的测量结果已经包含在了开普勒的实验记录中.
1680年1月6日,胡克在给牛顿的一封信中,提出了引力反比于距离的平方的猜测,并问道,如果是这样,行星的轨道将是什么形状.1684年,在胡克和爱德蒙哈雷、克里斯多夫伦恩等人的一次聚会中,又提出了推动这一研究的问题.伦恩提出了一笔奖金,条件是要在两个月内完成这样的证明:从平方反比关系得到椭圆轨道的结果.胡克声言他已完成了这一证明,但他要等待别人的努力都失败后才肯把自己的证明公布出来.哈雷经过反复思考,最后于1684年8月专程到剑桥大学向当时已有些名望的牛顿求教.牛顿说他早已完成了这一证明,但当时没有找到这份手稿;在1684年底牛顿将重新作出的证明寄给了哈雷.在哈雷的热情劝告和资助下.1687年,牛顿出版了他的名著《自然哲学的数学原理》,公布了他的研究成果.
从《原理》中可以看出,牛顿首先是从猜测和直觉开始他关于引力的思考的.他看到,在地面上很高的地方,重力并没有明显的减弱,那么它是否也可以到达月球呢?如果月球也受到重力的作用,就可能是这个原因使它保持着球绕地球的轨道运动.
牛顿指出,月球可以由于重力或者其他力的作用,使它偏离直线运动而偏向地球,形成绕转运动,“如果没有这样一种力的作用,月球就不能保持在它的轨道上运行.”但是,迫使月球作轨道运动的向心力与地面上物体所受的重力到底是否有同一本质呢?在《原理》中,牛顿提出了一个思想实验,设想有一个小月球很靠近地球,以至几乎触及到地球上最高的山顶那么使它保持轨道运动的向心力当然就等于它在山处所受的重力.这时如果小月球突然失去了运动,它就如同山处的物体一样以相同的速度下落.如果它所受的向心力并不是重力,那么它就将在这两种力的作用下以更大的速度下落,这是于我们的经验不符合的.可见重物的重力和月球的向心力,必然是出于同一个原因.因此使月球保持在它轨道的力就是我们通常为重力的那个力.
进一步深入,牛顿根据惠更斯的向心力公式和开普勒的三个定律推导了平方反比关系.牛顿还反过来证明了,如果物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系,则物体的轨道是圆锥曲线——椭圆,抛物线或双曲线,这就推广了开普勒的结论.在原理中牛顿同磁力作用相类比,得出这些指向物体的力应与这些物体的性质和量有关,从而把质量引进了万有引力定律.
牛顿把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去,并进一步得出所有物体之间万有引力都在起作用的结论.这个引力同相互吸引的物体质量成正比,同它们之间的距离的平方成正比.牛顿根据这个定律建立了天体力学的严密的数学理论,从而把天体的运动纳入到根据地面上的实验得出的力学原理之中,这是人类认识史上的一个重大的飞跃.
十一、随堂练习
1.(5)
2.(6)
3.设人造卫星绕地球做匀速圆周运动,卫星离地面越高,则卫星()
A.速度越大B.角速度越小
C.向心加速度越大D.周期越长
4.宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机里会处于完全失重状态,下列说法中正确的是()
A.宇航员仍受重力作用B.宇航员受平衡力作用
C.重力正好提供向心力D.宇航员不受任何力作用
5.关于地球同步卫星,下列说法正确的是()
A.已知它的质量为m,若增为2m,同步轨道半径将变为原来的2倍
B.它的运动速度应为第一宇宙速度
C.它可以通过北京的正上方
D.地球同步卫星的轨道是惟一的——赤道上方一定高度处
6.一对双星,是由相距L、质量分别为和的两颗星体构成,两星间引力很大但又未吸引到一起,是因为它们以连线上某点为圆心做圆周运动的结果,如图6-3所示,试求它们各自运转半径和角速度各是多少?
图6-3
答案:1.答:只有ω一定时,r增大到2倍,v才增大到2倍,实际上,随着r的增大,ω在减小,而不能保持一定.因而速度不是与r成正比,而由v=可知,轨道半径增大时,线速度减小.
2.后一位同学说的对,前一位同学说的不对,由公式F=m可知,只有v一定时,r增大到2倍,F才减小为,实际上,在人造卫星的运行问题中,r增大时,v是减小的,因而不能断定F与r成反比.
3.BD4.AC5.D
6.==
一名优秀的教师在每次教学前有自己的事先计划,高中教师要准备好教案,这是高中教师需要精心准备的。教案可以保证学生们在上课时能够更好的听课,有效的提高课堂的教学效率。您知道高中教案应该要怎么下笔吗?下面的内容是小编为大家整理的第一章行星地球第一节宇宙中的地球教案,仅供参考,大家一起来看看吧。
第一章行星地球第一节宇宙中的地球教案教学目标
知识目标:
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:万有引力作为圆周运动的向心力;
2、使学生对人造卫星的发射、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;
能力目标
通过学习万有引力定律在天文学上的应用,通过解世界和中国的航天事业的发展,了解世界上第一颗人造卫星、第一个宇宙飞船、第一个宇航员的知识,了解中国的神州一号、神州二号、神州三号的发射与回收,增强学生的爱国主义热情.
情感目标
通过学习万有引力定律在天文学上的应用,使学生真切感受到用自己所学的物理知识能解决天体问题,能解决实际问题,增强学生学习物理的热情
教学建议
本节的教学过程中在加强应用万有引力定律的同时,还应注重卫星的发射过程.请教师注意下列几个问题.
一、天体运动和人造卫星运动模型
二、地球同步卫星
三、卫星运行速度与轨道
卫星从发射升空到正常运行的连续过程,一般可分为几个阶段,每个阶段对应不同的轨道.例如发射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等.有些卫星的发射并不是直接到达运行轨道,而需要多次变轨.例如地球同步卫星就是先发射到近地的圆轨道上,再变为椭圆形转移轨道,最后在椭圆形轨道的远地点变为同步轨道.因此发射过程需多级火箭推动.
--方案
教学重点:万有引力定律的应用
教学难点:人造地球卫星的发射
教学方法:讨论法
教学用具:多媒体和计算机
教学过程:
一、人造卫星的运动
问题:
1、地球绕太阳作什么运动?
回答:近似看成匀速圆周运动.
2、谁提供了向心力?
回答:地球与太阳间的万有引力.
3、人造卫星绕地球作什么运动?
回答:近似看成匀速圆周运动.
4、谁提供了向心力?
回答:卫星与地球间的万有引力.
请学生思考讨论下列问题:
例题1、根据观测,在土星外围有一个模糊不清的光环,试用力学方法判定土星的光环究竟是与土星相连的连续物,还是绕土星运转的小卫星群?
分别请学生提出自己的方案并加以解释:
1、如果是连续物则:这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径成正比,
2、如果是卫星则:这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径的平方根成反比,这个题可以让学生充分讨论.
二、人造卫星的发射
问题:1、卫星是用什么发射升空的?
回答:三级火箭
2、卫星是怎样用火箭发射升空的?
学生可以讨论并发表自己的观点.
下面我们来看一道题目:
例题2、1999年11月21日,我国“神州”号宇宙飞船成功发射并收回,这是我国航天史上重要的里程碑.新型“长征”运载火箭,将重达8.4t的飞船向上送至近地轨道1,飞船与火箭分离后,在轨道1上以速度7.2km/s绕地球作匀速圆周运动.试回答下列问题:
(1)根据课文内容结合例题(2)(3)(4)问画出图示.
(2)轨道1离地的高度约为:
A、8000kmB、1600kmC、6400kmD、42000km
解:由万有引力定律得:
解得:=1600km
故选(B)
(3)飞船在轨道1上运行几周后,在点开启发动机短时间向外喷射高速气体使飞船加速,关闭发动机后飞船沿椭圆轨道2运行,到达点开启发动机再次使飞船加速,使飞船速率符合圆轨道3的要求,进入轨道3后绕地球作圆周运动,利用同样的方法使飞船离地球越来越远,飞船在轨道2上从点到点过程中,速率将如何变化?
解:由万有引力定律得:
解得:
所以飞船在轨道2上从点到点过程中,速率将减小.
(4)飞船在轨道1、2、3上正常运行时:
①飞船在轨道1上的速率与轨道3上的速率哪个大?为什么?
回答:轨道1上的速率大.
②飞船在轨道1上经过点的加速度与飞船在轨道2上经过点的加速度哪个大?为什么?
回答:一样大
③飞船在轨道1上经过点的加速度与飞船在轨道3上经过点的加速度哪个大?为什么?
回答:轨道1上的加速度大.
探究活动
收集资料。组织学生编写相关论文。
1、世界第一颗人造卫星到中国的第一颗人造卫星的历史过程。
2、我国的人造卫星现在在天空中飞翔的有多少颗及它们的周期。
一名优秀的教师在教学方面无论做什么事都有计划和准备,作为教师准备好教案是必不可少的一步。教案可以让学生更容易听懂所讲的内容,帮助教师提前熟悉所教学的内容。那么一篇好的教案要怎么才能写好呢?小编特地为大家精心收集和整理了“人造卫星 宇宙速度”,仅供参考,欢迎大家阅读。
教学目标
知识目标:
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:万有引力作为圆周运动的向心力;
2、使学生对人造卫星的发射、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;
能力目标
通过学习万有引力定律在天文学上的应用,通过解世界和中国的航天事业的发展,了解世界上第一颗人造卫星、第一个宇宙飞船、第一个宇航员的知识,了解中国的神州一号、神州二号、神州三号的发射与回收,增强学生的爱国主义热情.
情感目标
通过学习万有引力定律在天文学上的应用,使学生真切感受到用自己所学的物理知识能解决天体问题,能解决实际问题,增强学生学习物理的热情
教学建议
本节的教学过程中在加强应用万有引力定律的同时,还应注重卫星的发射过程.请教师注意下列几个问题.
一、天体运动和人造卫星运动模型
二、地球同步卫星
三、卫星运行速度与轨道
卫星从发射升空到正常运行的连续过程,一般可分为几个阶段,每个阶段对应不同的轨道.例如发射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等.有些卫星的发射并不是直接到达运行轨道,而需要多次变轨.例如地球同步卫星就是先发射到近地的圆轨道上,再变为椭圆形转移轨道,最后在椭圆形轨道的远地点变为同步轨道.因此发射过程需多级火箭推动.
教学设计方案
教学重点:万有引力定律的应用
教学难点:人造地球卫星的发射
教学方法:讨论法
教学用具:多媒体和计算机
教学过程:
一、人造卫星的运动
问题:
1、地球绕太阳作什么运动?
回答:近似看成匀速圆周运动.
2、谁提供了向心力?
回答:地球与太阳间的万有引力.
3、人造卫星绕地球作什么运动?
回答:近似看成匀速圆周运动.
4、谁提供了向心力?
回答:卫星与地球间的万有引力.
请学生思考讨论下列问题:
例题1、根据观测,在
土星外围有一个模糊不清的光环,试用力学方法判定土星的光环究竟是与土星相连的连续物,还是绕土星运转的小卫星群?分别请学生提出自己的方案并加以解释:
1、如果是连续物则:这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径成正比,
2、如果是卫星则:这些物体作匀速圆周运动的线速度与半径的平方根成反比,这个题可以让学生充分讨论.
二、人造卫星的发射
问题:1、卫星是用什么发射升空的?
回答:三级火箭
2、卫星是怎样用火箭发射升空的?
学生可以讨论并发表自己的观点.
下面我们来看一道题目:
例题2、1999年11月21日,我国“神州”号宇宙飞船成功发射并收回,这是我国航天史上重要的里程碑.新型“长征”运载火箭,将重达8.4t的飞船向上送至近地轨道1,飞船与火箭分离后,在轨道1上以速度7.2km/s绕地球作匀速圆周运动.试回答下列问题:
(1)根据课文内容结合例题(2)(3)(4)问画出图示.
(2)轨道1离地的高度约为:
A、8000kmB、1600kmC、6400kmD、42000km
解:由万有引力定律得:
解得:=1600km
故选(B)
(
3)飞船在轨道1上运行几周后,在点开启发动机短时间向外喷射高速气体使飞船加速,关闭发动机后飞船沿椭圆轨道2运行,到达点开启发动机再次使飞船加速,使飞船速率符合圆轨道3的要求,进入轨道3后绕地球作圆周运动,利用同样的方法使飞船离地球越来越远,飞船在轨道2上从点到点过程中,速率将如何变化?解:由万有引力定律得:
解得:
所以飞船在轨道2上从点到点过程中,速率将减小.
(4)飞船在轨道1、2、3上正常运行时:
①飞船在轨道1上的速率与轨道3上的速率哪个大?为什么?
回答:轨道1上的速率大.
②飞船在轨道1上经过点的加速度与飞船在轨道2上经过点的加速度哪个大?为什么?
回答:一样大
③飞船在轨道1上经过点的加速度与飞船在轨道3上经过点的加速度哪个大?为什么?
回答:轨道1上的加速度大.
探究活动
收集资料。组织学生编写相关论文。
1、世界第一颗人造卫星到中国的第一颗人造卫星的历史过程。
2、我国的人造卫星现在在天空中飞翔的有多少颗及它们的周期。
文章来源:http://m.jab88.com/j/60619.html
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