人造衛(wèi)星做課教案

1、人造衛(wèi)星教案【學(xué)情分析】學(xué)生對(duì)人造天體的發(fā)射及變軌過程很感興趣，對(duì)萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用還不靈活，特別是對(duì)衛(wèi)星變軌、人造衛(wèi)星的超重和失重掌握還不很好，課上要注重基礎(chǔ)落實(shí)?！窘虒W(xué)目標(biāo)】知識(shí)與技能：1、掌握解決人造衛(wèi)星問題的基本思路；2、同步衛(wèi)星的特點(diǎn)；3、人造衛(wèi)星中的超重和失重，4、會(huì)比較人造衛(wèi)星在變軌時(shí)的能量變化。過程與方法：1、在嫦娥1號(hào)發(fā)射過程的情境中理解變軌問題，2、在神6視頻中理解完全失重問題；情感與價(jià)值觀：1、通過航天技術(shù)的教育，滲透愛國(guó)主義教育；培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。2、通過例題的分析，使學(xué)生形成解題思路，體會(huì)特殊解題技巧，即獲得解決物理問題的認(rèn)知策略【重點(diǎn)難點(diǎn)】同步衛(wèi)星的特點(diǎn)和

2、人造衛(wèi)星中的超重和失重是本節(jié)重點(diǎn)人造天體變軌過程的能量變化是是本節(jié)難重點(diǎn)【方法手段】教師引領(lǐng)，學(xué)生總結(jié)?！菊n 型】復(fù)習(xí)課【課 時(shí)】1課時(shí)【教學(xué)過程】引入新課：2008年是中國(guó)航天史上最輝煌的一年?！吧衿摺庇?008年9月25日21時(shí)10分04秒成功升空，宇航員進(jìn)行了太空行走，并順利返回。嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星發(fā)射成功。這在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、乃至文化領(lǐng)域都具有非常重大的意義。首先體現(xiàn)了中國(guó)強(qiáng)大的綜合國(guó)力以及相關(guān)的尖端科技，是中國(guó)發(fā)展軟實(shí)力的又一象征，從經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域來看，將帶動(dòng)信息、材料、能源、微機(jī)電、遙科學(xué)等其它新技術(shù)的提高，從軍事領(lǐng)域來看，表明我國(guó)的導(dǎo)彈打衛(wèi)星和激光摧毀衛(wèi)星的技術(shù)已經(jīng)日臻成熟。從文化領(lǐng)域

3、來看，探月給人類本身帶來了社會(huì)發(fā)展理念的 “顛覆性改變”，人類第一次將思維與身軀同時(shí)掙脫地心引力的束縛，進(jìn)入到地球以外的無限宇宙空間中，實(shí)地接觸了月球表面，人類之前所摸索出的各種科學(xué)理論得到部分驗(yàn)證或反證。我們?cè)倩仡櫼幌逻@一偉大創(chuàng)舉。 視頻：嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星發(fā)射過程動(dòng)畫。從這一過程來看，衛(wèi)星的實(shí)際發(fā)射過程經(jīng)歷以下三個(gè)階段：“停泊軌道” “轉(zhuǎn)移軌道”和“指定軌道”。那么人造衛(wèi)星如何變軌，線速度和能量如何變化，以及如何分析在發(fā)射過程中的超重、失重現(xiàn)象將是本節(jié)的復(fù)習(xí)重難點(diǎn)。新課展開，重難點(diǎn)突破：下面回憶一下上節(jié)中復(fù)習(xí)的內(nèi)容。我們?cè)谏瞎?jié)中已經(jīng)復(fù)習(xí)了一、人造地球衛(wèi)星的分類、二、人造地球衛(wèi)星的繞行速度、角

4、速度、周期與高度的關(guān)系。提問：人造地球衛(wèi)星的繞行速度、角速度、周期與高度的關(guān)系。三、兩種最常見的衛(wèi)星 1、近地衛(wèi)星。近地衛(wèi)星的軌道半徑r可以近似地認(rèn)為等于地球半徑R，由式 可得其線速度大小為v1=7.9×103m/s；由式 可得其周期為T=5.06×103s=84min。由、式可知，它們分別是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星的最大線速度和最小周期。最大線速度v1=7.9×103m/s最小周期T=5.06×103s=85min 神舟5號(hào)飛船的運(yùn)行軌道離地面的高度為340km，線速度約7.6km/s，周期約90min。 2、同步衛(wèi)星?！巴健钡暮x就是和地球保

5、持相對(duì)靜止，所以其周期等于地球自轉(zhuǎn)周期，即T=24h。由式G=m= m（r+h）可得，同步衛(wèi)星離地面高度為 hr3·58×107 m即其軌道半徑是唯一確定的離地面的高度h=3.6×104km，而且該軌道必須在地球赤道的正上方，運(yùn)轉(zhuǎn)方向必須跟地球自轉(zhuǎn)方向一致即由西向東。如果僅與地球自轉(zhuǎn)周期相同而不定點(diǎn)于赤道上空，該衛(wèi)星就不能與地面保持相對(duì)靜止。因?yàn)樾l(wèi)星軌道所在平面必然和地球繞日公轉(zhuǎn)軌道平面重合，同步衛(wèi)星的線速度 v=3.07×103m/s定周期定軌道平面定軌道半徑定速度（v和）定點(diǎn)通訊衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)全球的電視轉(zhuǎn)播，從圖可知，如果能發(fā)射三顆相對(duì)地面靜止的衛(wèi)星（

6、即同步衛(wèi)星）并相互聯(lián)網(wǎng)，即可覆蓋全球的每個(gè)角落。由于通訊衛(wèi)星都必須位于赤道上空3.6×107m處，各衛(wèi)星之間又不能相距太近，所以，通訊衛(wèi)星的總數(shù)是有限的。設(shè)想在赤道所在平面內(nèi)，以地球中心為圓心隔50放置一顆通訊衛(wèi)星，全球通訊衛(wèi)星的總數(shù)應(yīng)為72個(gè)。四、人造天體的發(fā)射與變軌1、人造衛(wèi)星中的“超重”、“失重”：超重狀態(tài)人造衛(wèi)星中在發(fā)射階段，尚未進(jìn)入預(yù)定軌道的加速階段，具有豎直向上的加速度，衛(wèi)星內(nèi)的所有物體處于超重狀態(tài)，衛(wèi)星與物體具有相同的加速度，由于高度的增加，使增加，導(dǎo)致減小，同時(shí)由于升力的變化，使上升加速度是個(gè)變量，設(shè)某一時(shí)刻即時(shí)加速度為，利用彈簧秤測(cè)量物體的重力的方法可間接求得距離地

7、面的高度?！纠?】一物體在地球表面重，它在以的加速度上升的火箭中的視重為，則此時(shí)火箭離地面的距離為地球半徑的多少倍？解析：以物體為對(duì)象分析如圖所示，設(shè)距離地面高度為，則： 近地附近：；聯(lián)立兩式解得：【例2】飛船發(fā)射過程是一個(gè)加速過程，在加速過程中，宇航員處于_超重狀態(tài)_狀態(tài)。人們把這種狀態(tài)下的重力與靜止在地球表面時(shí)的重力的比值稱為耐受力值，用K表示，則K=_ K=1+a/g _（設(shè)宇航員的質(zhì)量為m，加速上升加速度為a），選擇宇般員時(shí)，要求他在此狀態(tài)的耐受值為4K12，說明飛船發(fā)射時(shí)的加速度值的變化范圍_3ga11g _.完全失重狀態(tài)衛(wèi)星進(jìn)入正常運(yùn)行軌道，由相同的間距決定各物體具有相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

8、。衛(wèi)星上的所有物體為什么處于完全失重狀態(tài)，這是理解的一個(gè)難點(diǎn)，減小學(xué)生理解難的方法就是采用反證法：假設(shè)衛(wèi)星上所有物體還受到其它力的作用，則：，假設(shè)不成立，因此，凡一切工作原理涉及到重力的有關(guān)儀器在衛(wèi)星中都不能正常使用。學(xué)生舉例航天員在太空飛行中的完全失重現(xiàn)象。【例3】航天飛船進(jìn)入距地表3R地的軌道繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量為64kg的宇航員處于_完全失重_狀態(tài)，他的視重為_0_N。實(shí)際所受力_40_N。2、人造衛(wèi)星的變軌發(fā)射、在同步衛(wèi)星的實(shí)際發(fā)射中，大多數(shù)國(guó)家采取“變軌發(fā)射”，發(fā)射過程經(jīng)歷以下三個(gè)階段：發(fā)射衛(wèi)星到達(dá)200300的圓形軌道上，圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，這條軌道稱為“停泊軌道”；當(dāng)衛(wèi)星穿過

9、赤道平面點(diǎn)時(shí)，二級(jí)點(diǎn)火工作，使衛(wèi)星沿一條 較大的橢圓軌道運(yùn)行，地球作為橢圓的焦點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，恰為赤道上空處，這條軌道稱為“轉(zhuǎn)移軌道”，沿軌道和分別經(jīng)過點(diǎn)時(shí)，加速度相同；當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，開動(dòng)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入同步軌道，并調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)從而實(shí)現(xiàn)電磁通訊，這個(gè)軌道叫“靜止軌道”。 、人造衛(wèi)星如何變軌衛(wèi)星從橢圓軌道變到圓軌道或從圓軌道變到橢圓軌道是衛(wèi)星技術(shù)的一個(gè)重要方面，衛(wèi)星定軌和返回都要用到這個(gè)技術(shù)以衛(wèi)星從橢圓遠(yuǎn)點(diǎn)變到圓軌道為例加以分析：如圖所示，在軌道A點(diǎn)，萬(wàn)有引力FA，要使衛(wèi)星改做圓周運(yùn)動(dòng)，必須滿足FA和FAv，在遠(yuǎn)點(diǎn)已滿足了FAv的條件，所以只需增大速度，讓速度增大到FA，這個(gè)任務(wù)由衛(wèi)星自

10、帶的推進(jìn)器完成這說明人造衛(wèi)星要從橢圓軌道變到大圓軌道，只要在橢圓軌道的遠(yuǎn)點(diǎn)由推進(jìn)器加速，當(dāng)速度達(dá)到沿圓軌道所需的速度，人造衛(wèi)星就不再沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)到大圓軌道“神州五號(hào)”就是通過這種技術(shù)變軌的，地球同步衛(wèi)星也是通過這種技術(shù)定點(diǎn)于同步軌道上的衛(wèi)星的回收實(shí)際上是衛(wèi)星發(fā)射過程的逆過程。Qv2v3Pv4v1【例3】 如圖所示，某次發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí)，先進(jìn)入一個(gè)近地的圓軌道，然后在P點(diǎn)點(diǎn)火加速，進(jìn)入橢圓形轉(zhuǎn)移軌道（該橢圓軌道的近地點(diǎn)為近地圓軌道上的P，遠(yuǎn)地點(diǎn)為同步軌道上的Q），到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)再次自動(dòng)點(diǎn)火加速，進(jìn)入同步軌道。設(shè)衛(wèi)星在近地圓軌道上運(yùn)行的速率為v1，在P點(diǎn)短時(shí)間加速后的速率為v2，沿轉(zhuǎn)移軌道剛到達(dá)

11、遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)的速率為v3，在Q點(diǎn)短時(shí)間加速后進(jìn)入同步軌道后的速率為v4。試比較v1、v2、v3、v4的大小，并用小于號(hào)將它們排列起來_。解析：根據(jù)題意有v2>v1、v4>v3,而v1、v4是繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星的線速度，由式知v1>v4,故結(jié)論為v2>v1>v4>v3。衛(wèi)星沿橢圓軌道由PQ運(yùn)行時(shí)，由機(jī)械能守恒可知，其重力勢(shì)能逐漸增大，動(dòng)能逐漸減小，因此有v2>v3。3、人造天體在運(yùn)動(dòng)過程中的能量關(guān)系當(dāng)人造天體具有較大的動(dòng)能時(shí)，它將上升到較高的軌道運(yùn)動(dòng)，而在較高軌道上運(yùn)動(dòng)的人造天體卻具有較小的動(dòng)能。反之，如果人造天體在運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能減小，它的軌道半徑

12、將減小，在這一過程中，因引力對(duì)其做正功，故導(dǎo)致其動(dòng)能將增大。同樣質(zhì)量的衛(wèi)星在不同高度軌道上的機(jī)械能不同。其中衛(wèi)星的動(dòng)能為，由于重力加速度g隨高度增大而減小，所以重力勢(shì)能不能再用Ek=mgh計(jì)算，而要用到公式（以無窮遠(yuǎn)處引力勢(shì)能為零，M為地球質(zhì)量，m為衛(wèi)星質(zhì)量，r為衛(wèi)星軌道半徑。由于從無窮遠(yuǎn)向地球移動(dòng)過程中萬(wàn)有引力做正功，所以系統(tǒng)勢(shì)能減小，為負(fù)。）因此機(jī)械能為。同樣質(zhì)量的衛(wèi)星，軌道半徑越大，即離地面越高，衛(wèi)星具有的機(jī)械能越大，發(fā)射越困難?！纠?】一組太空人乘坐大空穿梭機(jī)，去修理位于離地球表面 60×105m的圓形軌道上的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡H機(jī)組人員使穿梭機(jī)S進(jìn)入與H相同的軌道并關(guān)閉推動(dòng)火箭

13、，而望遠(yuǎn)鏡則在穿梭機(jī)前方數(shù)公里處，如圖所示，設(shè)G為引力常數(shù)，而ME為地球質(zhì)量（已知：地球半徑為 64×106m） （1）在穿梭機(jī)內(nèi)，一質(zhì)量為70kg的太空人的視重是多少？ （2）計(jì)算軌道上的重力加速度的值 計(jì)算穿梭機(jī)在軌道上的速率和周期（3）證明穿梭機(jī)的總機(jī)械能跟成正比，r為它的軌道半徑注：若力 F與位移r之間有如下的關(guān)系：F=Kr2（其中K為常數(shù)），則當(dāng)r由處變?yōu)?，F(xiàn)做功的大小可用以下規(guī)律進(jìn)行計(jì)算： W Kr（設(shè)處的勢(shì)能為0） 穿梭機(jī)須首先螺旋進(jìn)入半徑較小的軌道，才有較大的角速度以超前望遠(yuǎn)鏡用上題的結(jié)果判所穿梭機(jī)要進(jìn)入較低軌道時(shí)應(yīng)增加還是減少其原有速率，解釋你的答案 【解析】：（

14、1）在穿梭機(jī)內(nèi)，一質(zhì)量為70kg的太空人的視重為0 （2）因?yàn)閙g/GMEm/（Rh）2，所以 g/=GME（Rh）2，其中R64×106m， h60×105mg/=82ms2 地球?qū)Υ┧髾C(jī)的萬(wàn)有引力提供向心力 有：GMEm/（Rh）2mv2/（Rh）=m（2/T）2（R十h）， 所以v=76×103ms T58×103s （3）因?yàn)槿f(wàn)有引力 F GMEm/r2滿足Fk（1r2）（其中 kGMEm為常數(shù)），由“注”可知，當(dāng)穿梭機(jī)與地球之間的距離由處變到r時(shí)，萬(wàn)有引力對(duì)其所做的功wk/r=GMEm/r，又因?yàn)椋喝f(wàn)有引力對(duì)穿梭機(jī)做多少功，其重力勢(shì)能就減小多少

15、，若設(shè)處的勢(shì)能為零，則穿梭機(jī)在半徑為r的軌道上時(shí)。其重力勢(shì)能為E=一GMEm/r，則穿梭機(jī)此時(shí)的總機(jī)械能E總=EP十Ek=一GMEm/r十½mv2代入（2）中的v值，得：E總=一GMEm/r十½m（GME/r）一（GMEm/2）（1r） 故穿梭機(jī)的總機(jī)械能跟一1r成正比，得證 因?yàn)镋總跟一1r成正比，故進(jìn)入低軌道時(shí)總機(jī)械能要減小，故必須減速，使總機(jī)械能減小，當(dāng)速度減小后，在引力場(chǎng)的作用下進(jìn)行低軌道運(yùn)行，因引力做正功，動(dòng)能增加，低軌道環(huán)繞速度vr/大于原軌道環(huán)繞速度vr，又因?yàn)関r，vr/vr，r/r，則r/r，從而獲得較大的角速度，則可能趕上哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 練習(xí)：1、在空中

16、飛行了十多年的“和平號(hào)”航天站已失去動(dòng)力，由于受大氣阻力作用其繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)半徑將逐漸減小，最后在大氣層中墜毀，在此過程中下列說法正確的是（ ） A航天站的速度將加大 B航天站繞地球旋轉(zhuǎn)的周期加大 C航天站的向心加速度加大 D航天站的角速度將增大 【解析】由GMm/r2=mv2/r=mr2=mr（2/T）2=ma 得v=， T2可知r減小，v增大，增大，T減小，a增大A、C、 D正確 由于阻力很小，軌道高度的變化很慢，衛(wèi)星運(yùn)行的每一圈仍可認(rèn)為是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。由于摩擦阻力做負(fù)功所以衛(wèi)星的機(jī)械能減?。挥捎谥亓ψ稣λ灾亓?shì)能減?。挥墒娇芍l(wèi)星動(dòng)能將增大(這也說明重力做的功大于克服阻力做的功，外力做的

17、總功為正)。答案選D。2、若飛船要與軌道空間站對(duì)接，飛船為了追上軌道空間站（ A ） A可以從較低的軌道上加速 B可以從較高的軌道上加速C可以從與空間站同一軌道上加速 D無論在什么軌道上，只要加速都行3、我國(guó)的國(guó)土遼闊，在東西方向上分布在東經(jīng)70°到東經(jīng)135°的廣大范圍內(nèi)，所以我國(guó)發(fā)射的同步通信衛(wèi)星一般定點(diǎn)在赤道上空3.6萬(wàn)公里，東經(jīng)100°附近。假設(shè)某顆通信衛(wèi)星計(jì)劃定點(diǎn)在赤道上空東經(jīng)104°的位置。經(jīng)測(cè)量剛進(jìn)入軌道時(shí)它位于赤道上空3.6萬(wàn)公里，東經(jīng)103°處。為了把它調(diào)整到104°處，可以短時(shí)間啟動(dòng)星上的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，通過適當(dāng)調(diào)整衛(wèi)

18、星的軌道高度，改變其周期，從而使其自動(dòng)“漂移”到預(yù)定經(jīng)度。然后再短時(shí)間啟動(dòng)星上的小型發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整衛(wèi)星的高度，實(shí)現(xiàn)最終定點(diǎn)。這兩次調(diào)整高度的方向應(yīng)該依次是 .向下、向上 .向上、向下 .向上、向上 .向下、向下東經(jīng)103°在東經(jīng)104°西邊，為使衛(wèi)星向東漂移，應(yīng)使它的周期變小，為此應(yīng)降低其高度，所以先向下；到達(dá)東經(jīng)104°后，再向上。4、設(shè)想宇航員完成了對(duì)火星表面的科學(xué)考察任務(wù)，乘坐返回艙返回圍繞火星做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道艙，如圖所示為了安全，返回艙與軌道艙對(duì)接時(shí)，必須具有相同的速度求該宇航員乘坐的返回艙至少需要獲得多少能量，才能返回軌道艙？ 已知：返回過程中需克服火星引力做功WmgR（1一R/r），返回艙與人的總質(zhì)量為m，火星表面重力加速度為g，火星半徑為R，軌道艙到火星中心的距離為r；不計(jì)火星表面大氣對(duì)返回艙的阻力和火星自轉(zhuǎn)的影