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2019-2020年高一物理人造衛(wèi)星宇宙速度1 　　一、素質教育目標 　?。ㄒ唬┲R教學點 　　1．了解人造衛(wèi)星的有關發(fā)射、運行的知識 　　2．知道三個宇宙速度的含義，會推導第一宇宙速度 　?。ǘ┠芰τ柧汓c 　　培養(yǎng)學生對知識的轉化能力 　?。ㄈ┑掠凉B透點 　　通過介紹我國航天技術的發(fā)展水平，激發(fā)他們學習科學知識的熱情，培養(yǎng)他們的民族自豪感． 　?。ㄋ模┟烙凉B透點 　　通過對天體運動軌跡的描繪展示了物理圖像的形式美． 　　二、學法引導 　　通過教師的講解和分析，使學生了解人造衛(wèi)星的運轉原理及規(guī)律． 　　三、重點難點疑點及解決辦法 　　1．重點 　　衛(wèi)星運行的速度、周期、加速度 　　2．難點 　　衛(wèi)星運動的速度和衛(wèi)星發(fā)射速度的區(qū)別 　　3．疑點 　　同步通訊衛(wèi)星為什么要定點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 　　理解萬有引力是人造衛(wèi)星做圓周運行的向心力，從而求得衛(wèi)星的運動速度，周期，加速度就是由它離地心距離r惟一因素決定的． 　　四、課時安排 　　1課時 　　五、教具學具準備 　　自制同步衛(wèi)星模型 　　六、師生互動活動設計 　　1．教師通過講解、分析、介紹人造衛(wèi)星的運動規(guī)律及相關的航天知識． 　　2．學生通過討論，閱讀相關的材料擴大知識面，通過例題的分析鞏固知識． 　　七、教學步驟 　?。ㄒ唬┟鞔_目標 　　（略） 　?。ǘ┲攸c、難點的學習與目標的完成過程 　　1．衛(wèi)星運動的速度，周期，加速度． 　　衛(wèi)星脫離助推火箭后，獲得了一定的速度v，設衛(wèi)星繞地球做圓周運動，其運行半徑為r，根據萬有引力等于向心力可得： 　　G 　　等式兩邊都有m，可以約去，說明衛(wèi)星的速度與其質量無關，我們得到： 　　 （1） 　　由r得： 　　T＝ （2） 　　由G＝ma得： 　　a＝G （3） 　　從公式（1）、（2）、（3）式中可以看出，地球衛(wèi)星的運動情況（速度、周期、加速度）是由r惟一決定的．軌道半徑越大，衛(wèi)星運行速度越小，周期越大，加速度越??；軌道半徑越小，運行速度越大，周期越小，加速度越大．當衛(wèi)星運動的半徑等于地球半徑為R時，衛(wèi)星運動速度，周期和速度的大小分別為：v＝7.9m／s，T＝5100s，a＝9.8m／． 　　所以所有的人造地球衛(wèi)星的運行速度v＜7.9m／s，運行周期T＞5100s，運行的加速度a＜9.8m／． 　　2．同步通訊衛(wèi)星 　　同步通訊衛(wèi)星從地面上看，它總是某地的正上方，因而它的運動周期和地球自轉周期相同；且它的軌道必然要和赤道平面處在同一個平面內（讓學生討論同步衛(wèi)星為什么要滿足這兩個條件，并計算出同步衛(wèi)星距地面的高度h） 　　同步衛(wèi)星一般用于通訊，我們平時看電視，實況轉播等就是通過衛(wèi)星實現的，我國已成功地發(fā)射了多顆同步衛(wèi)星，豐富了我國人民的文化生活． 　　3．衛(wèi)星的發(fā)射速度 　　最早研究人造衛(wèi)星問題的是牛頓，他設想了這樣一個問題，在地面某處平拋一個物體，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．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，要想使物體成為地球的衛(wèi)星，物體需要一個最小的發(fā)射速度，物體以這個速度發(fā)射時，能夠剛好貼著地面繞地球飛行，此時萬有引力F＝mg，提供了衛(wèi)星運動的向心力，即： 　　mg＝m 　　我們可以求出這個最小速度 　　v＝＝7.9m／s 　　這個速度稱為第一宇宙速度 　　第一宇宙速度是發(fā)射一個物體，使其成為地球衛(wèi)星的最小速度．若以第一宇宙速度發(fā)射一個物體，物體將貼著地球表面的軌道上做勻速圓周運動．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動．若物體發(fā)射的速度達到或超過11.2km／s時，物體將能夠擺脫地球引力的束縛，成為繞太陽運動的行星或飛到其他行星上．11.2km／s稱為第二宇宙速度，如果物體的發(fā)射速度再大，達到或超過16.7km／s時，物體將能夠擺脫太陽引力束縛，飛到太陽系外．16.7km／s稱為第三宇宙速度． 　?。ㄈ┛偨Y、擴展 　　本節(jié)課我們學習了衛(wèi)星發(fā)射和運行的一些情況．知道了第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度，是衛(wèi)星繞地球運行的最大速度，最后我們還了解了通訊衛(wèi)星的有關情況． 　　八、布置作業(yè) 　　1．（2） 　　2．（4） 　　3．（7） 　　九、板書設計 　　1．衛(wèi)星運行的速度、周期、加速度 　　v＝ 　　T＝ 　　a＝G 　　2．衛(wèi)星的發(fā)射 　?。?）第一宇宙速度 　　mg＝m 　　v＝＝7.9km／s 　　（2）第二宇宙速度v＝11.2km／s 　?。?）第三宇宙速度V＝16.7km／s 　　3．同步衛(wèi)星 　　 　　 　　十、背景知識與課外閱讀 萬有引力定律的發(fā)現 　　萬有引力定律的發(fā)現是近代經典物理學發(fā)展的必然結果．科學史上普遍認為，這一成果應該歸功于偉大的牛頓．但是，其他杰出的科學家如胡克、哈雷等在這一方面也做出了非常重要的貢獻．但與牛頓相比，他們的觀點和研究方法總是存在著這樣或那樣的缺陷，最終與跨時代的科學發(fā)現失之交臂． 　　早在1661年，羅伯特胡克就已覺察到引力和地球上物體的重力有同樣的本質．1662年和1666年，他曾在山頂上和礦井下用測定擺的周期的方法做實驗，企圖找出物體的重量隨離地心距離而變化的關系，但沒有得出結果，在1674年的一次演講“證明地球周年運動的嘗試”中，他提出要在一致的力學原則的基礎上建立一個宇宙學說，為此提出了以下三個假設：“第一，據我們在地球上的觀察可知，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的其他天體．因此，不僅太陽和月亮對地球的形狀和運動發(fā)生影響，而且地球對太陽和月亮同樣也有影響，連水星、金星、火星和木星對地球的運動都有影響．第二，凡是正在作簡單直線運動的任何天體，在沒有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復雜的曲線運動之前，它將繼續(xù)保持直線運動不變．第三，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題，在實驗中我還未解決．一旦知道了這一關系，天文學家就很容易解決天體運動的規(guī)律了．”胡克首先使用了“萬有引力”這個詞．他在這里提出的這三條假設，實際上已包含了有關萬有引力的一切問題，所缺乏的只是定量的表述和論證．但是，胡克缺乏深厚的數學基礎和敏捷的邏輯思維能力．他錯誤的認為，目前需要的是更加準確的實驗數據，而沒有想到精確的測量結果已經包含在了開普勒的實驗記錄中． 　　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，并問道，如果是這樣，行星的軌道將是什么形狀．1684年，在胡克和愛德蒙哈雷、克里斯多夫倫恩等人的一次聚會中，又提出了推動這一研究的問題．倫恩提出了一筆獎金，條件是要在兩個月內完成這樣的證明：從平方反比關系得到橢圓軌道的結果．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．哈雷經過反復思考，最后于1684年8月專程到劍橋大學向當時已有些名望的牛頓求教．牛頓說他早已完成了這一證明，但當時沒有找到這份手稿；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《自然哲學的數學原理》，公布了他的研究成果． 　　從《原理》中可以看出，牛頓首先是從猜測和直覺開始他關于引力的思考的．他看到，在地面上很高的地方，重力并沒有明顯的減弱，那么它是否也可以到達月球呢？如果月球也受到重力的作用，就可能是這個原因使它保持著球繞地球的軌道運動． 　　牛頓指出，月球可以由于重力或者其他力的作用，使它偏離直線運動而偏向地球，形成繞轉運動，“如果沒有這樣一種力的作用，月球就不能保持在它的軌道上運行．”但是，迫使月球作軌道運動的向心力與地面上物體所受的重力到底是否有同一本質呢？在《原理》中，牛頓提出了一個思想實驗，設想有一個小月球很靠近地球，以至幾乎觸及到地球上最高的山頂那么使它保持軌道運動的向心力當然就等于它在山處所受的重力．這時如果小月球突然失去了運動，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，這是于我們的經驗不符合的．可見重物的重力和月球的向心力，必然是出于同一個原因．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力． 　　進一步深入，牛頓根據惠更斯的向心力公式和開普勒的三個定律推導了平方反比關系．牛頓還反過來證明了，如果物體所受的力指向一點而且遵從平方反比關系，則物體的軌道是圓錐曲線——橢圓，拋物線或雙曲線，這就推廣了開普勒的結論．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與這些物體的性質和量有關，從而把質量引進了萬有引力定律． 　　牛頓把他在月球方面得到的結果推廣到行星的運動上去，并進一步得出所有物體之間萬有引力都在起作用的結論．這個引力同相互吸引的物體質量成正比，同它們之間的距離的平方成正比．牛頓根據這個定律建立了天體力學的嚴密的數學理論，從而把天體的運動納入到根據地面上的實驗得出的力學原理之中，這是人類認識史上的一個重大的飛躍． 　　十一、隨堂練習 　　1．（5） 　　2．（6） 　　3．設人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動，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 　　4．宇航員在圍繞地球做勻速圓周運動的航天飛機里會處于完全失重狀態(tài)，下列說法中正確的是 （ ） 　　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．關于地球同步衛(wèi)星，下列說法正確的是 （ ） 　　A．已知它的質量為m，若增為2m，同步軌道半徑將變?yōu)樵瓉淼?倍 　　B．它的運動速度應為第一宇宙速度 　　C．它可以通過北京的正上方 　　D．地球同步衛(wèi)星的軌道是惟一的——赤道上方一定高度處 　　6．一對雙星，是由相距L、質量分別為和的兩顆星體構成，兩星間引力很大但又未吸引到一起，是因為它們以連線上某點為圓心做圓周運動的結果，如圖6－3所示，試求它們各自運轉半徑和角速度各是多少？ 圖6－3 　　答案：1．答：只有ω一定時，r增大到2倍，v才增大到2倍，實際上，隨著r的增大，ω在減小，而不能保持一定．因而速度不是與r成正比，而由v＝可知，軌道半徑增大時，線速度減?。? 　　2．后一位同學說的對，前一位同學說的不對，由公式F＝m可知，只有v一定時，r增大到2倍，F才減小為，實際上，在人造衛(wèi)星的運行問題中，r增大時，v是減小的，因而不能斷定F與r成反比． 　　3．BD 4．AC 5．D 　　6．＝ ＝