人造衛(wèi)星宇宙速度

1、人造衛(wèi)星宇宙速度一、素質(zhì)教育目標(biāo)（一）知識(shí)教學(xué)點(diǎn)1了解人造衛(wèi)星的有關(guān)發(fā)射、運(yùn)行的知識(shí)2知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度（二）能力訓(xùn)練點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化能力（三）德育滲透點(diǎn)通過(guò)介紹我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展水平， 激發(fā)他們學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的熱情， 培養(yǎng)他們的民族自 豪感（四）美育滲透點(diǎn) 通過(guò)對(duì)天體運(yùn)動(dòng)軌跡的描繪展示了物理圖像的形式美二、學(xué)法引導(dǎo)通過(guò)教師的講解和分析，使學(xué)生了解人造衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)原理及規(guī)律三、重點(diǎn)難點(diǎn)疑點(diǎn)及解決辦法1重點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)行的速度、周期、加速度2難點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度和衛(wèi)星發(fā)射速度的區(qū)別3疑點(diǎn)同步通訊衛(wèi)星為什么要定點(diǎn)在赤道正上方的確定軌道上？如何發(fā)射同步衛(wèi)星？4解決辦法理解萬(wàn)有引力是

2、人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)行的向心力， 從而求得衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度， 周期， 加速 度就是由它離地心距離 r 惟一因素決定的四、課時(shí)安排1 課時(shí)五、教具學(xué)具準(zhǔn)備自制同步衛(wèi)星模型六、師生互動(dòng)活動(dòng)設(shè)計(jì)1教師通過(guò)講解、分析、介紹人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)的航天知識(shí)2學(xué)生通過(guò)討論，閱讀相關(guān)的材料擴(kuò)大知識(shí)面，通過(guò)例題的分析鞏固知識(shí).七、教學(xué)步驟（一）明確目標(biāo)（略）（二）重點(diǎn)、難點(diǎn)的學(xué)習(xí)與目標(biāo)的完成過(guò)程1 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度，周期，加速度.衛(wèi)星脫離助推火箭后，獲得了一定的速度v,設(shè)衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行半徑為r，根據(jù)萬(wàn)有引力等于向心力可得：Mm2 r等式兩邊都有 m,可以約去，說(shuō)明衛(wèi)星的速度與其質(zhì)量無(wú)關(guān)，我們得到:由

3、GMm 產(chǎn))2 r 得: rT234 二 rT= .(2)V GM由 G = ma 得:ra= G從公式（1）、（2）、（3）式中可以看出，地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況（速度、周期、加速度） 是由r惟一決定的軌道半徑越大，衛(wèi)星運(yùn)行速度越小，周期越大，加速度越??；軌道半徑 越小，運(yùn)行速度越大，周期越小，加速度越大.當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的半徑等于地球半徑為R時(shí),衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度，周期和速度的大小分別為:所以所有的人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度32v= 7.9X 10 m/s, T = 5100s, a= 9.8m/ s .vv 7.9X 10m/s,運(yùn)行周期T 5100s,運(yùn)行的加速度 av 9.8m/ s2.2 同步通訊衛(wèi)星同

4、步通訊衛(wèi)星從地面上看，它總是某地的正上方， 因而它的運(yùn)動(dòng)周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同；且它的軌道必然要和赤道平面處在同一個(gè)平面內(nèi)（讓學(xué)生討論同步衛(wèi)星為什么要滿足這 兩個(gè)條件，并計(jì)算出同步衛(wèi)星距地面的高度同步衛(wèi)星一般用于通訊， 我們平時(shí)看電視，實(shí)況轉(zhuǎn)播等就是通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的，我國(guó)已成功地發(fā)射了多顆同步衛(wèi)星，豐富了我國(guó)人民的文化生活.3. 衛(wèi)星的發(fā)射速度最早研究人造衛(wèi)星問(wèn)題的是牛頓，他設(shè)想了這樣一個(gè)問(wèn)題，在地面某處平拋一個(gè)物體， 物體將沿一條拋物線落回地面，物體初速度越大， 飛行距離越遠(yuǎn).考慮到地球是圓形的，如果初速度很大，拋出的物體總也落不到地面就成了人造地球衛(wèi)星了.從剛才的分析我們知道，要想使物體成為

5、地球的衛(wèi)星，物體需要一個(gè)最小的發(fā)射速度， 物體以這個(gè)速度發(fā)射時(shí)，能夠剛好貼著地面繞地球飛行，此時(shí)萬(wàn)有引力F= mg,提供了衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力，即：2vmg= m R我們可以求出這個(gè)最小速度v= . gR = . 9.8 6.4 106 = 7.9x 103m/s這個(gè)速度稱為第一宇宙速度第一宇宙速度是發(fā)射一個(gè)物體，使其成為地球衛(wèi)星的最小速度.若以第一宇宙速度發(fā)射一個(gè)物體，物體將貼著地球表面的軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).若發(fā)射速度大于第一宇宙速度， 物體將在橢圓軌道上離心運(yùn)動(dòng).若物體發(fā)射的速度達(dá)到或超過(guò)11.2km /s時(shí)，物體將能夠擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的行星或飛到其他行星上.11.2km

6、/ s稱為第二宇宙速度，如果物體的發(fā)射速度再大，達(dá)到或超過(guò)16.7km /s時(shí)，物體將能夠擺脫太陽(yáng)引力束縛，飛到太陽(yáng)系外.16.7km / s稱為第三宇宙速度.（三）總結(jié)、擴(kuò)展本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行的一些情況.知道了第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最大速度，最后我們還了解了通訊衛(wèi)星的有關(guān)情況.八、布置作業(yè)1 .p10(2)2. P10(4)3. P11(7)九、板書設(shè)計(jì)五、人造衛(wèi)星宇宙速度1 衛(wèi)星運(yùn)行的速度、周期、加速度:GMa= G2 衛(wèi)星的發(fā)射(1) 第一宇宙速度2vmg= mRv= gR = 7.9 x 103 km / s(2) 第二宇宙速度 v= 11.2

7、km / s(3) 第三宇宙速度 V= 16.7km / s3.同步衛(wèi)星G M 2 二 m(*)2 (R h)(R h)2 T=(GM2?4二213 R十、背景知識(shí)與課外閱讀萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)是近代經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果.科學(xué)史上普遍認(rèn)為，這一成果應(yīng)該歸功于偉大的牛頓.但是，其他杰出的科學(xué)家如胡克、哈雷等在這一方面也做出了非常重要的貢獻(xiàn).但與牛頓相比，他們的觀點(diǎn)和研究方法總是存在著這樣或那樣的缺陷，最終與跨時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)失之交臂.早在1661年，羅伯特胡克就已覺(jué)察到引力和地球上物體的重力有同樣的本質(zhì).1662年和1666年，他曾在山頂上和礦井下用測(cè)定擺的周期的方法做實(shí)驗(yàn)，企

8、圖找出物體的重量 隨離地心距離而變化的關(guān)系，但沒(méi)有得出結(jié)果，在1674年的一次演講“證明地球周年運(yùn)動(dòng)的嘗試”中，他提出要在一致的力學(xué)原則的基礎(chǔ)上建立一個(gè)宇宙學(xué)說(shuō)，為此提出了以下三個(gè)假設(shè)：“第一，據(jù)我們?cè)诘厍蛏系挠^察可知，一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅 吸引其本身各部分， 并且還吸引其作用范圍內(nèi)的其他天體 因此， 不僅太陽(yáng)和月亮對(duì)地球的 形狀和運(yùn)動(dòng)發(fā)生影響，而且地球?qū)μ?yáng)和月亮同樣也有影響， 連水星、 金星、 火星和木星對(duì) 地球的運(yùn)動(dòng)都有影響 第二， 凡是正在作簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)的任何天體， 在沒(méi)有受到其他作用力 使其沿著橢圓軌道、 圓周或復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)之前， 它將繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)不變第三，

9、 受到 吸引力作用的物體， 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賴于距離 的問(wèn)題， 在實(shí)驗(yàn)中我還未解決 一旦知道了這一關(guān)系， 天文學(xué)家就很容易解決天體運(yùn)動(dòng)的規(guī) 律了”胡克首先使用了“萬(wàn)有引力”這個(gè)詞他在這里提出的這三條假設(shè)，實(shí)際上已包含 了有關(guān)萬(wàn)有引力的一切問(wèn)題， 所缺乏的只是定量的表述和論證 但是， 胡克缺乏深厚的數(shù)學(xué) 基礎(chǔ)和敏捷的邏輯思維能力 他錯(cuò)誤的認(rèn)為， 目前需要的是更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 而沒(méi)有想 到精確的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)包含在了開(kāi)普勒的實(shí)驗(yàn)記錄中1680 年 1 月 6 日，胡克在給牛頓的一封信中，提出了引力反比于距離的平方的猜測(cè)， 并問(wèn)道，如果是這樣，行星的軌道將是

10、什么形狀.1684年，在胡克和愛(ài)德蒙哈雷、克里斯多夫倫恩等人的一次聚會(huì)中，又提出了推動(dòng)這一研究的問(wèn)題.倫恩提出了一筆獎(jiǎng)金，條件是要在兩個(gè)月內(nèi)完成這樣的證明： 從平方反比關(guān)系得到橢圓軌道的結(jié)果胡克聲言他已完成了這一證明， 但他要等待別人的努力都失敗后才肯把自己的證明公布出來(lái) 哈雷經(jīng)過(guò)反復(fù) 思考，最后于 1684年 8月專程到劍橋大學(xué)向當(dāng)時(shí)已有些名望的牛頓求教牛頓說(shuō)他早已完 成了這一證明，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有找到這份手稿；在1684 年底牛頓將重新作出的證明寄給了哈雷在哈雷的熱情勸告和資助下 1687年，牛頓出版了他的名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 ， 公布了他的研究成果從原理中可以看出，牛頓首先是從猜測(cè)和直覺(jué)開(kāi)始

11、他關(guān)于引力的思考的他看到， 在地面上很高的地方， 重力并沒(méi)有明顯的減弱， 那么它是否也可以到達(dá)月球呢？如果月球也 受到重力的作用，就可能是這個(gè)原因使它保持著球繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)牛頓指出， 月球可以由于重力或者其他力的作用， 使它偏離直線運(yùn)動(dòng)而偏向地球， 形成 繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，“如果沒(méi)有這樣一種力的作用， 月球就不能保持在它的軌道上運(yùn)行 ”但是，迫使 月球作軌道運(yùn)動(dòng)的向心力與地面上物體所受的重力到底是否有同一本質(zhì)呢？在原理中， 牛頓提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)， 設(shè)想有一個(gè)小月球很靠近地球， 以至幾乎觸及到地球上最高的山 頂那么使它保持軌道運(yùn)動(dòng)的向心力當(dāng)然就等于它在山處所受的重力 這時(shí)如果小月球突然失 去了運(yùn)動(dòng)，

12、它就如同山處的物體一樣以相同的速度下落如果它所受的向心力并不是重力， 那么它就將在這兩種力的作用下以更大的速度下落， 這是于我們的經(jīng)驗(yàn)不符合的 可見(jiàn)重物 的重力和月球的向心力， 必然是出于同一個(gè)原因 因此使月球保持在它軌道的力就是我們通 常為重力的那個(gè)力進(jìn)一步深入，牛頓根據(jù)惠更斯的向心力公式和開(kāi)普勒的三個(gè)定律推導(dǎo)了平方反比關(guān) 系牛頓還反過(guò)來(lái)證明了， 如果物體所受的力指向一點(diǎn)而且遵從平方反比關(guān)系， 則物體的軌 道是圓錐曲線橢圓， 拋物線或雙曲線， 這就推廣了開(kāi)普勒的結(jié)論 在原理中牛頓同磁力 作用相類比， 得出這些指向物體的力應(yīng)與這些物體的性質(zhì)和量有關(guān)， 從而把質(zhì)量引進(jìn)了萬(wàn)有 引力定律牛頓把他在月

13、球方面得到的結(jié)果推廣到行星的運(yùn)動(dòng)上去， 并進(jìn)一步得出所有物體之間萬(wàn) 有引力都在起作用的結(jié)論 這個(gè)引力同相互吸引的物體質(zhì)量成正比， 同它們之間的距離的平 方成正比 牛頓根據(jù)這個(gè)定律建立了天體力學(xué)的嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論， 從而把天體的運(yùn)動(dòng)納入到 根據(jù)地面上的實(shí)驗(yàn)得出的力學(xué)原理之中，這是人類認(rèn)識(shí)史上的一個(gè)重大的飛躍一、隨堂練習(xí)1- Rio (5)2. Rii （6）3 設(shè)人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星離地面越高，則衛(wèi)星（）A .速度越大B .角速度越小C.向心加速度越大D .周期越長(zhǎng)4. 宇航員在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的航天飛機(jī)里會(huì)處于完全失重狀態(tài)，下列說(shuō)法中正確的是（）A 宇航員仍受重力作用B 宇航員受平衡力作用C.重力正好提供向心力D 宇航員不受任何力作用5. 關(guān)于地球同步衛(wèi)星，下列說(shuō)法正確的是（）A 已知它的質(zhì)量為 m,若增為2m,同步軌道半徑將變?yōu)樵瓉?lái)的2倍B .它的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為第一宇宙速度C.它可以通過(guò)北京的正上方D 地球同步衛(wèi)星的軌道是惟一的一一赤道上方一定高度處6. 對(duì)雙星，是由相距 L、質(zhì)量分別為Mi和M2的兩顆星體構(gòu)成，兩星間引力很大但又未吸引到一起，是因?yàn)樗鼈円赃B線上某點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，如圖6-3所示，試求它們各自運(yùn)轉(zhuǎn)半徑和角速度各是多少？答案：1.答：只