高中物理魯科版3第三章液體 第二節(jié)萬有引力定律的應(yīng)用2

§人造衛(wèi)星·宇宙速度教學(xué)設(shè)計設(shè)計意圖本節(jié)課重點講述人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)第一宇宙速度，介紹三個宇宙速度的含義。本節(jié)內(nèi)容是萬有引力定律在天體運動中的具體運用，是航天科學(xué)技術(shù)理論基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)的思維方法，探究人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，進(jìn)行知識的正向遷移，順利、流暢地推導(dǎo)第一宇宙速度，有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、邏輯思維，發(fā)展分析推理的能力。另外，學(xué)生通過對人造衛(wèi)星、宇宙速度的了解，也將潛移默化地產(chǎn)生對航天科學(xué)的熱愛，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。學(xué)情分析：本班學(xué)生基礎(chǔ)較差但熱愛科學(xué)，學(xué)習(xí)積極性較高。師生關(guān)系和諧融洽，課堂氣氛活躍，敢于交流、討論，發(fā)表自己的觀點、看法。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已對曲線運動的特點、萬有引力定律已有一定的了解。在此基礎(chǔ)上，通過教師合理誘導(dǎo)，按照遷移規(guī)律科學(xué)地設(shè)計問題情境，促進(jìn)學(xué)生探究，獲得新知。盡管學(xué)生對天體運動的知識儲備不足，猜想可能缺乏科學(xué)性，表達(dá)也許欠妥。但只要始終參與到學(xué)習(xí)情境中，五官體驗激活思維，大膽猜想，敢于表達(dá)，就都能獲得發(fā)展和提高。教學(xué)目標(biāo)知識與技能掌握衛(wèi)星的速度、角速度、周期及半徑關(guān)系原理。會計算人造衛(wèi)星的環(huán)繞速度.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.了解同步衛(wèi)星的有關(guān)知識過程與方法由牛頓曾設(shè)想的人造衛(wèi)星原理圖，結(jié)合萬有引力定律和勻速圓周運動的知識推出第一宇宙速度.從衛(wèi)星要擺脫地球或太陽的引力而需要更大的發(fā)射速度出發(fā)，引出第二宇宙速度和第三宇宙速度.情感、態(tài)度與價值觀體會科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用.教學(xué)重點、難點三、教學(xué)重點：（1）速度、角速度、周期與半徑關(guān)系及推導(dǎo)。（2）人造衛(wèi)星的發(fā)射原理.四、教學(xué)難點：環(huán)繞速度計算和理解教學(xué)方法自主討論思考、推導(dǎo)、引導(dǎo)分析教具準(zhǔn)備多媒體課件自制同步衛(wèi)星模型教學(xué)活動[新課導(dǎo)入]

復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容：1、地球在作什么運動？人造地球衛(wèi)星在作什么運動？通過展示圖片為學(xué)生建立清晰的圖景．2、作勻速圓周運動的向心力是誰提供的？地球與衛(wèi)星間的萬有引力即由牛頓第二定律得：導(dǎo)出新課：問題：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，那么其線速度、角速度、周期又是與什么因素有關(guān)系？

一、人造地球衛(wèi)星的v、w、T、a與r的關(guān)系①衛(wèi)星繞地球的線速度：②衛(wèi)星繞地球的周期：③衛(wèi)星繞地球的角速度：例、如圖所示，三顆人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量Ma=Mb＜Mc，b與c半徑相同，則： （） A．線速度vb=vc＜va B．周期Tb=Tc＞Ta C．b與c的向心加速度大小相等，大于a的向心加速度D．b所需的向心力最小討論v、T與r之間的關(guān)系：學(xué)生：由于GM一定，r越小，線速度v越大，反之，r越大，v越小.即：r↑→v↓同理：r↑→T↑。結(jié)論：v,w,a，T的大小只跟r及M有關(guān)，與衛(wèi)星本身質(zhì)量m無關(guān)。1、當(dāng)軌道半徑不變時，則衛(wèi)星的周期不變、衛(wèi)星的線速度不變、衛(wèi)星的角速度也不變．2、軌道半徑r越大，周期為T越大，v,w,a越小。3、向心力大小除了與r及M有關(guān)外，還與m有關(guān)。課堂練習(xí)：1、一做勻速圓周運動的人造地球衛(wèi)星的軌道半徑增大到原來的2倍，仍做勻速圓周運動，則： （） A．根據(jù)公式v=ωr，可知衛(wèi)星的線速度增大到原來的2倍 B．根據(jù)公式F=mv2/r，可知衛(wèi)星所需的向心力減小到原來的1/2 C．根據(jù)公式F=GMm/r2，可知地球提供的向心力將減小到原來的1/4 D．根據(jù)上述B和A給出的公式，可知衛(wèi)星的線速度將減小到原來的√2/2提問：距地面越高的衛(wèi)星運轉(zhuǎn)速率越小。那么，是向高軌道發(fā)射困難，還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難呢？學(xué)生：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難，因為向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，火箭上升過程重要消耗更多的能量

課堂練習(xí)：2、假如地球和人造衛(wèi)星的質(zhì)量分別為M

和m，地球半徑為R，對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星，求它繞地球的速率對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時的r近似等于地球的半徑R，則我們知道，離地面一定高度的物體以一定的初速度水平射出，由于重力作用，物體將做平拋運動即最終要落回地面。但如果射出的速度增加某一數(shù)值，則將成為地球衛(wèi)星，這一速度（即衛(wèi)星的最小發(fā)射速度）多大？

總結(jié)：這個速度就是人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度，叫第一宇宙速度。也稱環(huán)繞速度。

注意:第一宇宙速度就是最大的運行速度和最小的發(fā)射速度演示牛頓設(shè)想原理圖。由于拋出速度不同，物體的落點也不同。當(dāng)拋出速度達(dá)到一定大小，物體就不會落回地面，而是在引力作用下繞地球旋轉(zhuǎn)，成為繞地球運動的人造衛(wèi)星。

二、宇宙速度

1、第一宇宙速度v1=s

請學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識，推導(dǎo)第一宇宙速度的另一種表達(dá)式推導(dǎo)：地面附近重力提供向心力：mg=mv2/r

將R=×106m,

g=s2代入，求出第一宇宙速度仍為s。

如果人造地球衛(wèi)星進(jìn)入軌道的水平速度大于s，而小于s，它繞地球運動的軌道就不是圓，而是橢圓。當(dāng)物體的速度等于或大于s時，物體就可以掙脫地球引力的束縛，成為繞太陽運動的人造衛(wèi)星。所以，s

是衛(wèi)星脫離地球的速度，這個速度叫作第二宇宙速度，也稱脫離速度。

2.第二宇宙速度（脫離速度）

v2=s

達(dá)到第二宇宙速度的物體還受太陽引力的束縛，要想使物體掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙空間去，必須使它的速度等于或大于s，這個速度叫作第三宇宙速度，也稱逃逸速度。

3.第三宇宙速度（逃逸速度）

v3=s

人造地球衛(wèi)星的種類很多，有一種特別的衛(wèi)星叫地球同步衛(wèi)星。

三、地球同步衛(wèi)星

地球同步衛(wèi)星是指其公轉(zhuǎn)周期和地球自轉(zhuǎn)的周期相等的衛(wèi)星。地球同步衛(wèi)星有幾個明顯的特點：（演示課件）

特點：

周期一定--23小時56分4秒

方位一定--赤道上空

高度一定×107m

地球同步衛(wèi)星。1、同步的含義（引導(dǎo)學(xué)生分析）：與地球同步，同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，即24小時。2、判斷軌道位置：有人說軌道必須在赤道正上方，對不對？學(xué)生分析：（提示：建立正確的物理模型，明確運動情景）假如不在赤道正上方，對衛(wèi)星受力分析（畫圖），通過分析可知，衛(wèi)星將向赤道移動，即此衛(wèi)星不可能與地球同步。3、判斷軌道高度：讓學(xué)生自己推導(dǎo)：（依據(jù)的主要關(guān)系是向心力與萬有引力相等，且同步衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期是24小時）由（Ｒ＋ｈ）得：ｈ＝ｋｍ=５．６Ｒ由此可見，地球同步衛(wèi)星距地面的高度是固定的，又因所有同步衛(wèi)星只能位于赤道正上方，故所有地球同步衛(wèi)星均位于同一軌道。課堂例題及練習(xí)3．可以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星，使其圓軌道A．與地球表面上某一緯度線(非赤道)是共面同心圓B．與地球表面上某一經(jīng)度線所決定的圓是共面同心圓C．與地球表面上的赤道線是共面同心圓，且衛(wèi)星相對地球表面是靜止的D．與地球表面上