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人造衛(wèi)星　宇宙速度
教材分析
本節(jié)重點(diǎn)講述了人造衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛(wèi)星是萬有引力定律在天學(xué)上應(yīng)用的一個(gè)非常重要實(shí)例，是人類征服自然的見證，體現(xiàn)了知識的力量，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識的一個(gè)極好素材。教材不但介紹了人造衛(wèi)星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實(shí)際物理問題的物理方法。學(xué)生通過行星的運(yùn)動(dòng)一節(jié)已經(jīng)知道了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此在分析人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)可采取類比的方法，近而進(jìn)一步理解應(yīng)用萬有引力定律分析天體運(yùn)動(dòng)的方法。因此，本節(jié)是“萬有引力定律與航天”中的重點(diǎn)內(nèi)容，是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究、探索天體物理問題的理論基礎(chǔ)。另外，學(xué)生通過對人類在宇宙航行領(lǐng)域中的偉大成就及我國在航天領(lǐng)域成就的了解，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心和自豪感。

學(xué)情分析
學(xué)生已掌握了運(yùn)動(dòng)的合成與分解、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、圓周運(yùn)動(dòng)等節(jié)的理論。并在本之前學(xué)習(xí)了天體的運(yùn)動(dòng)，和萬有引力定律的知識，能運(yùn)用萬有引力定律揭示一些天體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。學(xué)生可以類比行星運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)原理自己分析人造衛(wèi)星的規(guī)律。另外學(xué)生也可以利用前面的知識和對宇宙奧秘的好奇心探索人造衛(wèi)星的發(fā)射及宇宙速度。學(xué)生可以通過聯(lián)想上一所學(xué)的對平拋物體的運(yùn)動(dòng)的處理方法探究牛頓的思考，以地心為參考系平拋出去的物體從空間運(yùn)動(dòng)效果上可分解為指向地心的自由落體運(yùn)動(dòng)和繞地心的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。而這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)都是變速度運(yùn)動(dòng)，它們都需要一個(gè)指向地心的力維持它們各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此萬有引力就有要改變兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的效果，即要既要產(chǎn)生自由落體加速度又要產(chǎn)生向加速度。當(dāng)萬有引力只能提供向心力時(shí)，自由落體加速度就變成零，這樣平拋出去的物體就落不下了，從而得到第一宇宙速度。再根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的知識可知道速度再大一些會(huì)做橢圓運(yùn)動(dòng)或擺脫地球?qū)λ�的約束。這樣，人們就可以到更遠(yuǎn)的地方去探索宇宙的奧秘了……

教學(xué)目標(biāo)
知識與技能
1．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識
2．分析人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
3．掌握三個(gè)宇宙速度的物理意義，
4．會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度；
5．簡單了解航天發(fā)展史；
6．能用所學(xué)知識求解衛(wèi)星基本問題。
過程與方法
1．培養(yǎng)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的能力；
2．培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、探索能力；
3．培養(yǎng)學(xué)生在處理實(shí)際問題時(shí)，如何 構(gòu)建物理模型的能力；
4．學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法培養(yǎng)學(xué)生歸納、分析和推導(dǎo)及合理表達(dá)能力。
情感態(tài)度與價(jià)值觀
介紹世界及我國航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)，熱愛科學(xué)的激情，增強(qiáng)民族自信心和自豪感。
教學(xué)重點(diǎn)：
衛(wèi)星運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)規(guī)律，第一宇宙速度的推導(dǎo)。

教學(xué)難點(diǎn)：
1．衛(wèi)星的運(yùn)行速度與發(fā)射速度的區(qū)別；
2．第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星運(yùn)行的最大速度
教學(xué)過程　
新引入
　　教師：仰望星空，浩瀚的宇宙蒼穹給人以無限遐想，千百年，人類一直向往能插上翅膀飛出地球，去探索宇宙的奧秘，李白的“俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬明月”是怎樣的一種豪情？到今天這一夢想實(shí)現(xiàn)了嗎？
　　學(xué)生：實(shí)現(xiàn)了。（激起學(xué)生興趣）
　教師：世界上第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射，揭開了人類探索宇宙的新篇。
　　提問（1）：1．世界上第一顆人造衛(wèi)星是哪一年由哪一國家發(fā)射的？
　　2．我國哪一年發(fā)射了自己的人造衛(wèi)星？
　　3．迄今我國共發(fā)射了多少顆人造衛(wèi)星？
　教師：從1970年4月24日東方紅一號的成功發(fā)射，到2007年10月24日嫦娥一號發(fā)射
　我國發(fā)射人造衛(wèi)星和其他探測器60多個(gè)，他們分別在通信，氣象，探測，導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
引入新。
一、人造衛(wèi)星規(guī)律的探究
　　教師：現(xiàn)在我們地球上空有這么多衛(wèi)星，他們運(yùn)行的速度一樣嗎？他們是怎樣被發(fā)射升空的今天我們就通過的學(xué)習(xí)解決這一問題。
　　教師：這是我國目前發(fā)射的部分衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律的數(shù)據(jù)。
　　提問觀察數(shù)據(jù)思考：
　　1．不同衛(wèi)星的其運(yùn)行軌道相同嗎？
　　2．不同的衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)有什么規(guī)律？
　　3．你能試著用你學(xué)過的知識解釋為什么有這樣的規(guī)律嗎？
衛(wèi)星名稱衛(wèi)星質(zhì)量（kg）軌道近地點(diǎn)（km）軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)（km）運(yùn)行周期（h）
返回型遙感衛(wèi)星2100205 315 1．48
東方紅2號甲通信衛(wèi)星44135786 35863 23．9
東方紅2號試驗(yàn)通信衛(wèi)星46135469 35782 23．76
返回型遙感衛(wèi)星2100175 400 1．5
風(fēng)云1號A750900 901 1．7
巴達(dá)爾150210 992 [高考資網(wǎng)S5U]1．57
大氣1號　873 900 1．712

　　學(xué)生：1．觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

　　2．合作交流，類比行星運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析人造衛(wèi)星的運(yùn)行特點(diǎn)。

　　3．試著從力和運(yùn)動(dòng)的角度分析問題。
　　教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)。
　　人造衛(wèi)星運(yùn)行特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)：（板書）
　　1．軌跡：橢圓 有的近似為圓
　　2．人造衛(wèi)星的半徑不同，其運(yùn)行的周期也不同，而且半徑越大，其周期越大。
　　3．類比行星運(yùn)動(dòng)分析原因，衛(wèi)星圍繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，需要向心力。
　　地球和衛(wèi)星之間的引力提供向心力。
　　4．學(xué)生自己應(yīng)用前面萬有引力知識分析
　　衛(wèi)星與地球間的萬有引力提供了向心力（板書）
　�。�1）由 得 ，
　　∴r越大，v越�。�
　�。�2）由 得 ，
　　∴r越大， 越�。�
　　（3）由 得 ，
　　∴r越大，T越大
　　教師小結(jié)：衛(wèi)星繞地運(yùn)轉(zhuǎn)軌道半徑越大，速度越小、角速度越小、周期越大；（板書）
　　演示：幾顆不同軌道衛(wèi)星同時(shí)繞地運(yùn)行動(dòng)畫,從而直觀判斷以上變化關(guān)系
　　
二、應(yīng)用知識解決問題
　　教師：學(xué)習(xí)了衛(wèi)星的相關(guān)知識，我判斷一下下列幾種軌道哪一種是可能的為什么？
　　思考問題1：
　　下圖中，有三顆人造地球衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)動(dòng)，它們運(yùn)行的軌道


　　可能是 ，不可能是 。
　　學(xué)生：分組討論闡述觀點(diǎn)
　　教師：結(jié)合學(xué)生討論引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)力學(xué)角度解決問題。
　　衛(wèi)星近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，需要向心力，且向心力時(shí)刻指向圓心。所以地球與衛(wèi)星之間指向地心的萬有引力提供向心力，所以衛(wèi)星作圓周運(yùn)動(dòng)的圓心應(yīng)該是地心。
　　思考問題2：
　　如圖所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的3顆衛(wèi)星，


　　1．試比較三顆衛(wèi)星的線速度、角速度、加速度、周期，萬有引力的關(guān)系。
　　2．如果c 的速度增加，能否與同軌道的b相撞。
　　
　三、衛(wèi)星發(fā)射原理
　　教師：過渡：不同的軌道的衛(wèi)星其速度不同，那人類是怎樣將衛(wèi)星發(fā)送到指定軌道上的呢？
　　介紹牛頓的衛(wèi)星設(shè)想（FLASH）
　　教師引導(dǎo)：我們拋一物體怎樣才能拋的遠(yuǎn)？
　　討論：依據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)學(xué)生知道：速度越大，越遠(yuǎn)，那速度足夠大，又有什么現(xiàn)象？
　　學(xué)生探討：統(tǒng)一結(jié)論：不落回地球。
　　教師：這時(shí)由于有引力在，衛(wèi)星想落回地面，但有一定的速度又落不回地面就形成了衛(wèi)星？
　　思考：物體需要多大的發(fā)射速度，才能剛好貼著地面轉(zhuǎn)？
　學(xué)生討論
　　教師點(diǎn)撥：這時(shí)（r=R）
　　學(xué)生
　　
　　得出第一宇宙速度7．9 km/s
四、宇宙速度
　　1．第一宇宙速度7．9 km/s
　　定義：人造衛(wèi)星在地面附近繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度。
　思考：發(fā)射什么樣的衛(wèi)星最容易？
　ks5u
　　統(tǒng)一結(jié)論：高軌道發(fā)射衛(wèi)星比低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，原因是高軌道發(fā)射衛(wèi)星時(shí)火箭要克服地球?qū)λ�的引力做更多的功�?br>　　以第一宇宙速度發(fā)射衛(wèi)星時(shí)其剛好能在地球表面附近作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；如果衛(wèi)星的速度小于第一宇宙速度，衛(wèi)星將落到地面而不能繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)；
　　進(jìn)入半徑越大的軌道，所需要的發(fā)射V 越大。
　　思考：這與剛才得出的半徑越大的軌道，所需要的 運(yùn)行速度V 越小矛盾嗎？
　　討論：
　　人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度是兩個(gè)不同的概念。
　�。�1）發(fā)射速度
　　所謂發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開發(fā)射裝置時(shí)的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅依靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升一定的高度，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度不能小于第一宇宙速度。若發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星只能“貼著”地面近地運(yùn)行。如果要使人造衛(wèi)星在距地面較高的軌道上運(yùn)行，就必須使發(fā)射速度大于第一宇宙速度。
　�。�2）運(yùn)行速度：是指衛(wèi)星在進(jìn)入運(yùn)行軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度。當(dāng)衛(wèi)星“貼著”地面運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度等于第一宇宙速度。根據(jù) 可知，人造衛(wèi)星距地面越高（即軌道半徑r越大），運(yùn)行速度越小。實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行速度一定小于發(fā)射速度。
（板書）運(yùn)行速度 指衛(wèi)星在穩(wěn)定的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度
　　發(fā)射速度 指被發(fā)射物體離開地面時(shí)的水平初速度
　　類比得出：
　�。ò鍟�）2．第二宇宙速度（脫離速度）：
　　
　　①意義：使衛(wèi)星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運(yùn)行的人造行星的最小發(fā)射速度。[s5u]
　�、谌绻�人造天體的速度大于11．2km/s而小于16．7km/s，則它的運(yùn)行軌道相對于太陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)。
　�。ò鍟�）3．第三宇宙速度（逃逸速度）：
　�、僖饬x：使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小發(fā)射速度。
　�、谌绻�人造天體具有這樣的速度并沿著地球繞太陽的公轉(zhuǎn)方向發(fā)射時(shí)，就可以擺脫地球和太陽引力的束縛而邀游太空了。
　　這個(gè)速度目前能做到嗎？教師介紹以第三速度發(fā)射的探測器，先驅(qū)者一號。
　　教師小結(jié)：只有你想不到的，沒有你做不到的。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們探測太空的腳步會(huì)越走越快，越走越遠(yuǎn)。也許有一天我們也能到其它星球旅游定居。
　　但是今天我們就必須掌握一些必備知識。也就是我們這節(jié)的重點(diǎn)。

分層練習(xí)：
　C類
　1．關(guān)于第一宇宙速度，下面說法：①它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度；②它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最小速度；③它是人造衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度；④它是發(fā)射人造衛(wèi)星進(jìn)入近地圓軌道的最大速度。以上說法中正確的有（　　）

　　A．①② 　　B．②③ 　　C．①④ 　　D．③④

　B類
2．對于繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，下列說法正確的是（　�。�

　　A．人造地球衛(wèi)星的實(shí)際繞行速率一定大于7．9km/s

　　B．從衛(wèi)星上釋放的物體將作平拋運(yùn)動(dòng)

　　C．在衛(wèi)星上可以用天平稱物體的質(zhì)量

　　D．我國第一顆人造地球衛(wèi)星（周期是6．84×103s）離地面高度比地球同步衛(wèi)星離地面高度小

　A類
3．三顆人造地球衛(wèi)星A、B、C在同一平面內(nèi)沿不同的軌道繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且繞行方向相同，已知RA＜RB＜RC 。若在某一時(shí)刻，它們正好運(yùn)行到同一條直線上，如圖所示。那么再經(jīng)過衛(wèi)星A的四分之一周期時(shí)，衛(wèi)星A、B、C的位置可能是（　�。�

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