1、5.4 飞出地球去 一、教学目标 1、知识与技能： （1）了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。 （2）知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 2、过程与方法： （1）通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题 的能力。 3、情感态度与价值观： （1）通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。 （2）感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。 二、教学内容剖析 1、本节课的地位和作用： 本节内容主要介绍了宇宙速度、人造地球卫星、宇宙航天器等内容，人们在应用万有引力 定律研究天体运动的基础上，实现人类的航天
2、梦想，为科学研究、人类生活服务方面做出 巨大的贡献。通过本节学习了解如下知识： (1)第一宇宙速度: 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度, V= 或 V= ,RGM/g 数值上 V1=7.9km/s . (2)第二宇宙速度: 克服地球引力,脱离地球的逃逸速度.V 2=11.2km/s. (3)第三宇宙速度: 在地面附近发射物体挣脱太阳引力束缚的速度, V 3=11.2km/s. 2、本节课教学重点： 对第一宇宙速度的推导过程和方法，了解第一宇宙速度的应用领域。 3、本节课教学难点： 1、人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。 2、掌握有关人造卫星计算及计算过程中的一些代换。 三、 教学
3、思路与方法 这节内容是万有引力理论的成就在生活中的应用,与我们的生活密切相关,让学生在学 习物理的过程中感受到物理就在我们的身边,与我们的生活时刻联系在一起.从而引导学生 进行科学和生活、和社会联系的思考，培养学生学习物理的兴趣，激发学生献身科学的热 情，对学生科学价值观的形成起到重要的作用。 四、 教学准备 多媒体课件， 细线，塑料瓶。 课堂教学设计 教 学环 节 教学内容 师生互动 设计意 图 备 注 引入 地面上的物体，怎样才能成为人造地 球卫星呢？ 300 多年前，牛顿提出设想 放影片。 设地球质量为 M，半径为 R。人造地 球卫星在圆轨道上运行，质量为 m， 轨道半径为 r。那么，在
4、该轨道上做 匀速圆周运动的卫星的速度 v 如何推 算？ 卫星离地心越远，它运行的速度越慢。 师：1957 年前苏联发射了第 一颗人造地球卫星，开创了 人类航天时代的新纪元。我 国在 70 年代发射第一颗卫星 以来，相继发射了多颗不同 种类的卫星，掌握了卫星回 收技术和“一箭多星”技术， 99 年发射了“神舟”号试验 飞船。这节课，我们要学习 有关人造地球卫星的知识。 卫星在地球上空绕行时遵循 这样的规律，那卫星是如何 发射到地球上空的呢？ 师：牛顿设想在高山上有一 门大炮，水平发射炮弹，初 速度越大，水平射程就越大， 可以想象当初速度足够大时， 这颗炮弹将不会落到地面， 将和月球一样成为地球的
5、一 颗卫星。 师：你思考这种设想可能么？ （学生思考） 生：可能，理由是当物体的 重力去充当圆周运动的向心 力的时候，物体可以成为卫 星，不过，这应该需要很大 的速度。 从卫星 等物理 学历史 出发开 始本节 课的学 习，激 发学生 的学习 热情。 近地 卫星 及第 一宇 宙速 度 近地面的卫星的速度是多少呢？ 这就是人造地球卫星在地面附近绕地 师：牛顿实验中，炮弹至少 要以多大的速度发射，才能 在地面附近绕地球做匀速圆 周运动？地球半径为 6370km。 （生思考并计算） 生：在地面附近绕地球运行， 轨道半径即为地球半径。由 万有引力提供向心力： ， 让学生 亲历知 识的导 出过程， 体验成
6、 功的乐 趣是新 课程的 重要理 念同 时让学 22mvGrM1rv 126.70/GNmkg已 知 ： 3R245.891Mkg1246.705.8913/7./GRvmsk 球做匀速圆周运动所必须具有的最低 发射速度，叫做第一宇宙速度。 思考： 我们能否发射一颗周期为 70min 的卫星呢？ 提示 ：同学们算算，近地卫星的周 期又是多少呢？ 不能！ RMvmG22v 得出发射速度小于 7.9km/s。 师：对，如果发射速度小于 7.9km/s，炮弹将落到地面， 而不能成为一颗卫星；发射 速度等于 7.9km/s，它将在 地面附近作匀速圆周运动； 要发射一颗半径大于地球半 径的人造卫星，发射
7、速度必 须大于 7.9km/s。可见，向 高轨道发射卫星比向低轨道 发射卫星要困难。 师：第一宇宙速度是人造卫 星在地面附近环绕地球作匀 速圆周运动所必须具有的速 度，所以也称为环绕速度。 在地面附近，物体的万有引 力等于重力，此力天空卫星 做圆周运动的向心力，能否 从这一角度来推导第一宇宙 速度呢？ mg= mv2/r v= 7.9km/sgr 师：思考我们能否发射一颗 周期为 70min 的人造地球卫 星呢？（提示：算一算近地 卫星其周期是多少？近地卫 星由于半径最小，其运行周 期最大。 ） 生：不可以，当运行轨道为 最小时，得出周期为 84.5min。大于 70min，所以 不可以。 生
8、自己 探究问 题，可 以激发 学生的 学习兴 趣与动 机，同 时也可 以使他 们养成 善于运 动知识 的习惯 第二 宇宙 速度 第二宇宙速度 大小 。21./vkms 第二宇宙速度 师：当卫星的速度达到 11.2km/s，使卫星挣脱地球 通过推 导发现 问题， 和第 三宇 宙速 度， 发射 速度 与运 行速 度 使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳 运行的人造行星的最小发射速度，也 称为脱离速度。 第三宇宙速度 大小： 。316.7/vkms 使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射 速度，也称为逃逸速度。 人造卫星的发射速度与运行速度 1、发射速度：是指被发射物在地面 附近离开发射装置时的速度。 宇宙速
9、度均指发射速度 第一宇宙速度为在地面发射卫星的 最小速度，也是环绕地球运行的最大 速度 2、运行速度：是指卫星进入轨道后 绕地球做匀速圆周运动的速度。 的束缚，成为绕太阳运行的 人造行星的最小发射速度， 也称为脱离速度。 发射速度大于 7.9km/s，而 小于 11.2km/s，卫星绕地球 运动的轨迹为椭圆；等于或 大于 11.2km/s 时，卫星就会 脱离地球的引力，不再绕地 球运行。 师：当发射速度大于 11.2km/s，而小于 16.7km/s，使卫星挣脱太阳 引力束缚的最小发射速度， 也称为逃逸速度。 当发射速度大于 11.2km/s， 而小于 16.7km/s，卫星绕太 阳作椭圆运动
10、，成为一颗人 造行星。如果发射速度大于 等于 16.7km/s，卫星将挣脱 太阳引力的束缚，飞到太阳 系以外的空间。 师：发射速度是指卫星在地 面附近离开发射装置的初速 度，一旦发射后再无能量补 充的卫星，所以它的速度要 多大？ （学生思考） 生：要发射一颗人造地球卫 星，发射速度不能小于第一 宇宙速度。 师：运行速度指卫星在进入 运行轨道后绕地球做圆周运 动的线速度。那么它的速度 有没有极值？有是多大？ （思考与讨论） 生：当卫星“贴着”地面飞 行时，运行速度等于第一宇 宙速度，当卫星的轨道半径 大于地球半径时，运行速度 小于第一宇宙速度。 探索问 题，及 最后得 出结论。 地球 同步 卫星
11、 五、地球同步卫星 1、所谓地球同步卫星是指相对于地 面静止的人造卫星，它在轨道上跟着 地球自转，同步地做匀速圆周运动， 它的周期： T 24h 2、所有的同步卫星只能分布在赤道 上方的一个确定轨道上 ，即同步卫 星轨道平面与地球赤道平面重合，卫 星离地面高度为定值。 思考：地球同步卫星能否位于北京正 上方某一确定高度 h ？ 所有的同步卫星只能分布在赤道上方 的一个确定轨道上。 注：为了卫星之间不互相干扰，大约 3左右才能放置 1 颗，这样地球的 同步卫星只能有 120 颗。可见，空间 位置也是一种资源。 近地卫星、同步卫星、月球三者比较 例题分析（双星问题） 双星的向心力大小相同 双星的角
12、速度相同 师：从地球的同步卫星的定 义中找出同步卫星的特点： 生：同步卫星与地面相对静 止，与地球自转同步，周期 为 24h。 生：同步卫星的运行方向与 地球自转方向相同。 生：同步卫星定点在赤道正 上方，离地高度、运行速率 是唯一确定的。 师：万有引力提供卫星运转 的向心力，而同步卫星与地 球自转同步，所以其轨道平 面必定与赤道平面重合，且 所有同步卫星都在赤道正上 方。 师：思考地球同步卫星能否 位于北京正上方某一确定高 度 h ？ 生：所有的同步卫星只能分 布在赤道上方的一个确定轨 道上，而北京处在北半球 ， 故上空一定不可能有同步卫 星。 师：设地球质量 M，半径为 R，自转周期为 T
13、，同步卫星 质量 m，离地高度 h，请计算 同步卫星离地面的高度。 （学生计算） 生：由牛顿第二定律： 224()()GRhRhT 又324M 2gR 324Th 培养学 生通过 分析， 自己找 到答案 的能力。 可见：同步卫星的离地高度、 线速度大小是唯一确定的。 代入具体数据可得 。3580hkm 双星问题： 师：在天体运动中，将两颗 彼此距离较近，且相互绕行 的行星称为双星。已知两行 星质量分别为 M1和 M2，它们 之间距离为 L，求各自运转 半径和角速度的关系怎样？ 向心力由什么提供。 生：本题中，双星之间有相 互吸引力而保持距离不变， 则这两行星一定绕着两物体 连线上某点做匀速圆周
14、运动， 设该点为 O，如图所示， M1OM2始终在一条直线，M 1 和 M2角速度相等，它们之间 万有引力提供向心力。 解：设 M1离开 O 点的距离为 R，则 M2离开 O 点的距离为 L-R，它们绕 O 点转动的加速 度均为 ，则有牛顿第二定 律，对两个行星分别有 师：双星是一个整体，围绕 着它们的质心转动，所以加 速度 相同，两星之间由万 有引力相维系，它们到质心 的距离与它们的质量成反比。 例题 例 1、铁路转弯处的圆弧半径是 300m，轨距是 1435mm。规定火车通过 这里的速度是 72km/h，内外轨的高度 差应该是多大才能使外轨不受轮缘的 挤压？保持内外轨的这个高度差，如 果车
15、的速度大于或小于 72km/h，会分 别发生什么现象？说明理由。 析：火车在转弯时所需的向心力由火 车所受的重力和轨道对火车支持力的 合力提供，如图所示： mrgdvhd195.022 例 2、一辆汽车 m=2.0103kg 在水平 公路上行驶，经过半径 r=50m 的弯路 时，如果车速度 v=72km/h，这辆汽车 会不会发生事故？已知轮胎与路面间 的最大静摩擦力 fm= 1.4104N。 析：这辆汽车经过弯路时所需向心力 由地面的静磨擦力提供据题意，最大 静摩擦力只为 1.4104N，所以汽车 会发生事故。 例 3. 如图甲、乙所示，质量为 m 的 物体，分别在半径为 R 的凸形和凹形 圆
16、面上做圆周运动，到达圆面的顶端 和底端时速度均为，分别求出物体对 圆面的压力。 解析 取球为研究对象，受力如图所 示，则： 211NvFmgR向 初步把 握本节 的知识， 并用它 来解决 实际问 题。不 要空洞 的说教， 在实战 中了解、 积累解 决问题 的经验。 印象深 刻，避 免不必 要的重 复学习。 trvgtF22向 心 力 rvmF 423106.5向 心 力 22NvFmgR向 得： 21Nv ，22FmgR 由牛顿第三定律，物体对圆面的压力： 2/1Nvg ，方向：指向圆心。2/2FmR ，方向：背离圆心。 答案： 2/1Nvg ，2/2FmR 例题 4、如图所示被一细绳系住的小
17、 球质量为 50g，小球在水平面内做匀 速圆周运动，半径 r=0.2m，小球转数 为 120r/min，求小球受到的向心力的 大小，并回答这一向心力是由什么力 提供的。 解：n=120r/min=2r/s F 向心力 是由什么力提供的？ 分析小球的受力情况 F 向心力 指向圆心，即：G 与 N 的合力 指向圆心将 T 分解如图所示 T2=G T1=F 向心力 Nrm6.12.0)4(5032向 心 力 小结 小结： 一、宇宙速度 1、第一宇宙速度（环绕速度） v1=7.9km/s 2、第二宇宙速度（脱离速度） v2=11.2km/s 3、第三宇宙速度（逃逸速度） v3=16.7km/s 二、同
18、步卫星 1、周期 T=24h 2、卫星轨道平面与地球赤道平面重 合 学生课后巩固，总扩本节的 知识及内容。 作业 作业： 1、航天事业正改变着人类的生活， 请你到网上查阅，近几年的航天大事 的资料，阐述年的观点，与同学交流。 2、做课后题目 1、2、3。 通过上 网查阅 了解知 识内容， 通过题 目进一 步巩固 学习的 内容， 增强学 生的自 学能力， 符合新 课标的 理念。 视野拓展 宇宙航行 宇宙航行是以整个宇宙空间为活动环境的，因此，我们必须对宇宙环境有一定的了解， 就像汽车司机要了解道路环境，登山运动员要了解山地环境，航海人员要了解海洋环境一 样。 在人类进入太空以前，对人才环境只能进
19、推测和理沦研究。与人类对飞天的向往一样， 人们构想了美丽的“天堂” ，便有“上有天堂，下有苏杭”的比喻。现在我们知道，如果 “天堂”是指太空的话，就生存环境来说，那是极大的谬误。 自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。虽然随后有恒星向外辐射热能， 但恒星的数量是有限的，而且其寿命也是有限的，所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经 过 100 多亿年的历程，太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸时遗 留在太空的辐射）的研究证明，太空的平均温度为一 270.3。 在太空中，不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体 还向外辐射高能粒子，形成宇宙射线。例如
20、，银河系有银河宇宙线辐射，太阳有太阳电磁 辐射、太阳宇宙线辐射（太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子）和太阳风（由太阳日冕吹 出的高能等离子体流）等。许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒了，形成辐射性 很强的辐射带，如在地球的上空，就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射 环境。 宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氢和氦两种元素，其中氢占 3/4，氦占 1/4。后来它们大 多数逐渐凝聚成团，形成星系和恒星。恒星中心的氢和氨递次发生核聚变，生成氧、氮、 碳等较重的元素。在恒星死亡时，剩下的大部分氢和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空 中。其中主要的仍然是氢，但非常稀薄，每立方厘米只有 0.l 个氢原于，在星际分了云中 稍多一此，每立方厘米约 1 万个左右。我们知道，在地球大气层中，每立方厘米含有 1010 个氮和氧分子。由此可见，太空是一个高真空环境。
