高中物理教案：《人造衛星的宇宙速度》教學設計教學目標知識目標：1、通過對行星繞恒星運動和衛星繞行星運動的研究，學生初步掌握研究此類問題的基本方法：萬有引力作為圓周運動的向心力；2、學生對人造衛星的發射和運行有初步的了解，使大多數學生在頭腦中建立起比較正確的畫卷；能力目標通過學習萬有引力定律在天文學中的應用，通過了解世界和我國航天事業的發展，了解世界上第一顆人造衛星、第一艘宇宙飛船、第一位宇航員，了解我國神舟一號、神舟二號、神舟三號衛星的發射和回收，能增強學生的愛國熱情。情感目標：通過學習萬有引力定律在天文學中的應用，讓學生真切感受到能運用所學的物理知識解決天體問題和實際問題，提升學生學習物理的積極性。 教學建議：在本節教學過程中，在強化萬有引力定律應用的同時，還應關注衛星發射過程，請注意以下幾個問題。 1.天體運動與人造衛星運動模型 2.地球同步衛星 3.衛星速度與軌道 衛星從發射到正常運行的連續過程，一般可以分為幾個階段，每個階段對應不同的軌道。比如發射軌道、轉移軌道、運行軌道、同步軌道、返回軌道等。有些衛星并不是直接發射到運行軌道，而是需要多次變軌，比如地球同步衛星先發射到地球附近的圓形軌道，然后變橢圓形的轉移軌道，最后在橢圓軌道的遠地點變同步軌道。因此發射過程需要多級火箭推進。 教學設計方案 教學重點：萬有引力定律的應用 教學難點：人造衛星的發射 教學方式：討論法 教具：多媒體與計算機 教學過程： 一、人造衛星運動的問題： 1、地球繞太陽轉做什么樣的運動？ 答：粗略地可以看作勻速圓周運動。 2、向心力是誰提供的？ 答：地球和太陽之間的萬有引力。 3、人造衛星繞地球轉做什么樣的運動？ 答：粗略地可以看作勻速圓周運動。 4、向心力是誰提供的？ 答：衛星與地球之間的萬有引力。 讓學生思考并討論以下問題： 例1、根據觀測，土星周圍有一個不清晰的光環，試運用力學的方法判斷土星的光環是與土星相連的連續的物體，還是一群圍繞土星運行的小衛星？讓學生提出自己的解決辦法，并加以說明： 1.如果是連續的物體，那么：這些物體做勻速圓周運動的線速度和半徑成正比， 2.如果是衛星，那么：這些物體做勻速圓周運動的線速度和半徑的平方根成反比，這個問題讓學生充分討論。 2.人造衛星的發射： 1.用什么發射衛星？ 答：三級火箭 2.火箭是怎么發射衛星的？ 學生可以討論貝語網校，發表自己的看法。 下面看一道題： 例2.1999年11月21日，我國“神舟”號飛船發射成功并回收，這是我國航天史上的一個重要里程碑。新型“長征”運載火箭把8.4噸重的航天器送入低地球軌道1。航天器與火箭分離后，在軌道1上以7.2km/s的速度繞地球做勻速圓周運動。試回答以下問題：（1）根據課文內容和例題（2）（3）（4）畫出示意圖。 （2）軌道1距離地面的高度約為：A，B，C，D。 解：根據萬有引力定律可得： 解： = 所以答案為（B）（3） 航天器在軌道1運行數周后，啟動點發動機，短暫地向外噴出高速氣體，使航天器加速。關閉發動機后，飛船沿橢圓軌道2運行，當到達點時，再次啟動發動機，使飛船加速，使飛船的速度滿足圓形軌道3的要求，進入軌道3后，繞地球做圓周運動。用同樣的方法，使飛船離地球越來越遠。 飛船在軌道2上從一點移動到另一點，其速度會怎樣變化？ 解：根據萬有引力定律可得： 解：因此，飛船在軌道2上從一點移動到另一點時，其速度會減小。 （4）當飛船在軌道1、2、3上正常運行時： ① 飛船在軌道1上的速度和飛船在軌道3上的速度哪一個更大？為什么？ 答：軌道1上的速度更大。 ② 軌道1上點的加速度和軌道2上點的加速度哪一個更大？為什么？ 答：是一樣的。 ③ 軌道1上點的加速度和軌道3上點的加速度哪個更大？為什么？ 答：軌道1上的加速度更大。 收集信息以進行探索活動。
組織學生撰寫相關論文。 1、從世界第一顆人造衛星到我國第一顆人造衛星的歷史過程。 2、目前我國天空中飛行著多少顆人造衛星，它們的周期是怎樣的。 擴展閱讀教學目標 知識目標： 1、通過對行星繞恒星運動、衛星繞行星運動的研究，學生初步掌握研究此類問題的基本方法：萬有引力作為圓周運動的向心力； 2、學生對人造衛星的發射和運行有初步的了解，使大多數學生在頭腦中建立起比較正確的畫面； 能力目標 通過學習萬有引力定律在天文學中的應用，通過了解世界和我國航天事業的發展，了解世界上第一顆人造衛星、第一艘宇宙飛船、第一位宇航員，了解我國神舟一號、神舟二號、神舟三號的發射和回收，增強學生的愛國熱情。情感目標：通過學習萬有引力定律在天文學中的應用，讓學生真切感受到所學的物理知識能解決天體問題和實際問題，提升學生學習物理的積極性。 教學建議：在本節教學過程中，在強化萬有引力定律應用的同時，還應關注衛星發射過程，請注意以下幾個問題。 1.天體運動與人造衛星運動模型 2.地球同步衛星 3.衛星運行速度與軌道 衛星從發射到正常運行的連續過程，一般可以分為幾個階段，每個階段對應不同的軌道。比如發射軌道、轉移軌道、運行軌道、同步軌道、返回軌道等。有些衛星的發射并不是直接到達運行軌道，而是需要經過多次變軌，例如地球同步衛星先發射到地球附近的圓形軌道，然后變橢圓形的轉移軌道，最后在橢圓軌道的遠地點變同步軌道。因此發射過程需要多級火箭推進。 --方案 教學重點：萬有引力定律的應用 教學難點：人造衛星的發射 教學方式：討論法 教具：多媒體與計算機 教學過程： 一、人造衛星運動的問題： 1、地球繞太陽轉做什么樣的運動？ 答：近似勻速圓周運動。 2、向心力是誰提供的？ 答：地球與太陽之間的萬有引力。 3、人造衛星繞地球轉做什么樣的運動？ 答：近似勻速圓周運動。 4、向心力是誰提供的？ 答：衛星與地球之間的萬有引力。 讓學生思考并討論以下問題： 例1、根據觀察，土星周圍有一個模糊的光環，試運用力學的方法，判斷土星的光環是與土星相連的連續的物體還是一群圍繞土星運行的小衛星？讓學生提出自己的解決辦法，并加以說明： 1.如果是連續的物體，那么：這些物體做勻速圓周運動的線速度和半徑成正比。 2.如果是人造衛星，那么：這些物體做勻速圓周運動的線速度和半徑的平方根成反比。 這個問題可以讓學生充分討論。 2.人造衛星的發射： 1.用什么發射衛星？ 答：三級火箭 2.衛星是如何用火箭發射上太空的？ 學生可以討論，發表自己的看法。 我們來看下面一道題： 例2.1999年11月21日，我國“神舟”號飛船發射成功并回收，這是我國航天史上的一個重要里程碑。新型“長征”號運載火箭把8.4噸重的航天器送入低地球軌道1，航天器與火箭分離后，在軌道1以7.2km/s的速度繞地球作勻速圓周運動。試回答以下問題： (1)結合課文內容和例題（2）（3）（4），畫出示意圖。 (2) 軌道1距地面的高度約為： A,,,,, 解：根據萬有引力定律可得： 解： = 所以正確答案為（B）（3） 航天器在軌道1運行數周后，在點處啟動發動機，短暫地向外噴出高速氣體，使航天器加速。關閉發動機后，航天器沿橢圓軌道2運行，運行到點后再次啟動發動機，對航天器進行加速，使航天器的速度滿足圓形軌道3的要求。進入軌道3后，繞地球做圓周運動，按照同樣的方法，航天器離地球越來越遠。航天器在軌道2上從一點移動到另一點，速度會怎樣變化？ 解：根據萬有引力定律可得： 解：因此，航天器在軌道2上從一點移動到另一點，速度會減小。 （4）航天器在軌道1、2、3正常運行時： ① 航天器在軌道1上的速度和航天器在軌道3上的速度哪個大？為什么？ 答：軌道1上的速度大。 ② 航天器通過軌道1上某點的加速度和航天器通過軌道2上某點的加速度哪個大？為什么？ 答：一樣。航天器通過軌道1點的加速度和航天器通過軌道3點的加速度哪個大？為什么？ 答：軌道1的加速度大。 為探索活動收集信息。
組織學生寫相關論文。 1、從世界第一顆人造衛星到我國第一顆人造衛星的歷史過程。 2、目前我國天上飛行著多少顆人造衛星以及它們的周期。 教學目標： 1、了解人造衛星的有關知識 2、通過講解和舉例，讓學生掌握第一宇宙速度的推導。 了解第二、第三宇宙速度的意義。 重點：第一宇宙速度的推導。 教學方法：啟發式教學。 教學過程： 1、組織教學： 2、引入新課： 1970年4月24日，我國發射了第一顆人造地球衛星，迄今為止，我國已發射了多顆人造地球衛星。1975年，我國掌握了將衛星返回地面的回收技術，成為世界上第三個掌握這一先進技術的國家。 1984年4月8日，我國發射了一顆實驗通訊衛星，把衛星準確地運送到同步軌道指定位置高中物理低軌道極地衛星，這是一個非常困難的多維控制問題，同步衛星的成功定位標志著我國加入了世界先進運載火箭和衛星技術的行列，近年來，我國一直用火箭為其他國家發射衛星。在這節課中，我們將學習人造衛星的基本知識。三、講授新課：1、牛頓的人造衛星概念：如果在地面上方有一個物體，相對于地面靜止，只受重力的作用，那么它做自由落體運動。如果物體在空中有一定的初速度，初速度的方向垂直于重力方向，那么它做水平拋射運動。牛頓曾經設想，如果一個物體以不同的水平速度從高山上拋下，每次的速度都會更大，每次落地點都會更遠。如果忽略空氣阻力，當速度足夠大時，物體絕不會落到地面高中物理低軌道極地衛星，而是圍繞地球旋轉，成為人造衛星。 2、宇宙速度： （1）第一宇宙速度： 問：當物體的速度達到一定數值時，物體在重力作用下并不會落到地面，而是圍繞地球做圓周運動，成為人造衛星？ 答：由于人造衛星是在空中運動，所以只受地球萬有引力的影響，此時是衛星做勻速圓周運動所需要的向心力，即： GMm/r2=mV2/r∴V=（GM/r）1/2 從上式可知，r越大，即衛星距離地面越高，其繞地球運動的速度V越小。對于靠近地面運動的衛星，可以認為r近似等于地球半徑R，地球對物體的引力近似等于衛星重力mg，則： V=（gR）1/2將g=0./s2和R=代入上式，可得： V=7.9km/s這就是人造衛星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須的速度，稱為第一宇宙速度。 它也叫軌道速度。 注：1）為最小發射速度和最大軌道速度2）所有軌道的中心都在地心。 （2）第二宇宙速度：如果人造衛星進入軌道的水平速度大于7.9km/s、小于11.2km/s，它繞地球運行的軌道將不是圓形，而是橢圓形。當衛星的速度等于或者大于11.2km/s時，衛星就能擺脫地球的引力，成為繞太陽運行的人造行星，或者飛向其他星球。因此，11.2km/s的速度被稱為第二宇宙速度，也叫逃逸速度。解釋：是衛星脫離地球的最小發射速度。 （3）第三宇宙速度：達到第二宇宙速度的衛星，仍然受太陽的束縛，要想擺脫太陽，飛向太陽系外的太空，速度必須大于16.7km/s，這個速度被稱為第三宇宙速度，也叫逃逸速度，是擺脫太陽的最小發射速度。
3、人造衛星中的超重與失重：人造衛星中人和物體都處于完全失重狀態。 4、人造衛星的應用：（詳見書上） 四、總結鞏固練習： 例1、在圓形軌道上運行的人造地球衛星，當軌道半徑為r時，它的線速度為V。 問：當衛星的軌道半徑增大到2r時，它的線速度為多少級？ 例2、同步衛星的運行周期與地球自轉周期相同，由于衛星與地球同步運動，從地面看，衛星好比靜止在天空某一處。 問：這顆衛星的海拔高度是多少？ 例3、宇宙中一顆行星的半徑是地球的兩倍，行星的質量是地球的兩倍，如果在這個行星上發射一顆衛星，并讓它圍繞行星運行，那么衛星發射到行星附近的軌道上所需的最小速度是多少？五、作業安排： 1、書面作業： 2、作業： 第六章萬有引力定律（五、人造衛星的宇宙速度） 教學目標： 1、了解人造衛星的有關知識 2、掌握第一宇宙速度的推導。 理解第二、第三宇宙速度的意義。 教學重點：第一宇宙速度的推導 教學難點：發射速度與軌道速度的區別 教學方式：啟發式、講授式 教學過程： 一、引入新課 1、問題：如果從高山上拋出一個物體，它們的水平初速度不同，忽略空氣阻力，它們會落在同一點嗎？ 學生：它們落到不同的點，速度越大，落地點離山腳越遠，因為它們是從同一座高山上拋出的，所以在空中停留的時間相同，速度越大，水平位移越大，所以落地點也越遠。
師：假設拋出的物體的速度足夠大，物體的運動會發生什么變化？學生進行猜測。教師總結并用多媒體進行模擬。如果地面上方有一個物體，相對于地面靜止不動，只受重力作用，那么它就做自由落體運動。如果物體在空中有一定的初速度，初速度的方向垂直于重力方向，那么它就做水平拋射運動。牛頓曾經設想過：從高山上拋出一個物體，水平速度不同，每次速度都較大，每次落地點距離山腳都較遠。如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落地，它會圍繞地球旋轉，成為繞地球運行的人造衛星，簡稱人造衛星。1970年4月24日，我國發射了第一顆人造衛星，至今已發射多顆人造衛星。 1975年我國掌握了返回衛星地面的回收技術，成為世界上第三個掌握這一先進技術的國家。1984年4月8日，我國發射了一顆實驗通信衛星，并把衛星準確地運送到同步軌道指定位置，這是一個非常困難的多維控制問題。同步衛星的成功定位，標志著我國在運載火箭和衛星技術上已躋身世界先進行列。近年來，我國一直用火箭為其他國家發射衛星。這堂課，我們將學習人造衛星的基本知識。二、人造衛星的分類a.軌道分類：同步衛星、極地衛星、任意軌道衛星。
b.按用途分類：通訊衛星、軍用衛星、氣象衛星等。 三.同步衛星 1.運行軌道；必須在赤道以上。 2.必須有一定的高度、周期、線速度和角速度。（為什么？） 三.引言：那么人造衛星的軌道半徑和它的運動速度有什么關系呢？這節課，我們就來學習這個問題。 二.新課教學 （一）宇宙速度 1.設一顆人造衛星沿圓形軌道繞地球運行。 ① 師：使衛星繞地球運行的向心力是什么力提供的？ 生：是由衛星所受的地球萬有引力提供的。 ②根據上述關系，能得出什么表達式？ 生：=mr③于是得，T=2л 師：式中，M為地球質量，G為萬有引力常數，r為衛星軌道半徑。此式就是衛星繞地球正常軌道的線速度（軌道速度）與運行周期表達式。 2、討論v、T與r的關系： 生：由于GM為常數，所以r越小，線速度v越大，反之，r越大，v越小。 即：r↑→v↓ 同理：r↑→T↑，對于人造衛星vmax=7.9km/s，Tmin=84.4min 師：由此可知：衛星距離地面越高，速度越慢。 那么，發射衛星到高軌道困難還是低軌道困難？ 生：發射衛星到高軌道比發射到低軌道困難，因為要把衛星發射到高軌道，火箭要做更多的功來克服地球引力。 3、對于靠近地面運行的人造衛星，解其繞地球運行的速度對于靠近地面運行的人造衛星，可以認為此時的r約等于地球半徑R，則要么： mg=mv2/rv==7.9km/s 老師：這個速度就是人造衛星在地面附近繞地球做勻速圓周運動所必須的速度，這個速度叫第一宇宙速度。
4、討論： ①第一宇宙速度是衛星繞地球運行的最大速度，為什么？ ②為什么第一宇宙速度是發射人造衛星的最小速度？ 經過學生討論，教師總結： 第一宇宙速度v=7.9公里/秒，可以理解為： （1）是發射衛星進入最低軌道所需的最小速度。 （2）是衛星進入軌道并正常運行的最大軌道速度，即所有衛星的軌道速度都小于7.9公里/秒。 過渡：如果衛星進入地面的軌道速度大于7.9公里/秒，那么此時衛星的軌道會發生什么變化？ 5、教師講解并運用多媒體模擬： ①當人造衛星進入地面的軌道速度大于7.9公里/秒并小于11.2公里/秒時，其繞地球運行的軌跡不是圓形，而是橢圓形。 ②當衛星飛出地面的速度大于等于11.2公里/秒時，衛星就擺脫了地球引力，不再繞地球運行，成為太陽的行星，這個速度叫第二宇宙速度，也叫逃逸速度。 ③當衛星飛出地面的速度大于等于16.7公里/秒時，就可以擺脫太陽的束縛，進入太陽系外太空，這個速度叫第三宇宙速度，也叫逃逸速度。 （二）地球同步衛星 接下來我們來研究另外一類衛星——同步通信衛星。這種衛星繞地球運動的角速度和地球自轉的速度相同，所以從地面看，它始終在某一地點的正上方，所以叫同步衛星。這種衛星一般用于通信，也叫同步通信衛星。
我們看電視直播的時候，總是聽到解說員說太平洋或者印度洋上空的衛星是通訊衛星，那北京上空有同步衛星嗎？同步衛星有什么特點呢？如果在北緯或者南緯的某處上空有一顆同步衛星，那么這顆衛星的軌道平面中心應該是地球軸上的一點，而不是地心，它所需要的向心力也應該指向這一點。而地球所能提供的引力只能指向地心，所以同步衛星是不可能在北緯或者南緯的某處上空的。另外，由于同步衛星的周期和地球自轉的周期相同，所以這顆衛星離地球的距離只能是一個定值。也就是說，地球上所有的同步衛星只能分布在赤道正上方的一個弧線上，而且為了防止衛星之間互相干擾，一顆衛星只能以3度左右的角度擺放。地球上同步通信衛星只有120顆。可見空間位置也是一種資源。（讓學生推導出同步衛星的高度）。同步通信衛星的特點：1.在赤道平面上。2.與地球自轉方向一致。3.高度恒定。值得注意的是，衛星在發射過程中，就像在電梯里一樣，處于超重狀態。當衛星進入軌道并正常運行時，衛星內的物體處于完全失重狀態。一切工作原理與重力有關的儀器（天平、水銀氣壓計）都無法在衛星內正常使用，一切與重力有關的實驗也無法進行。地球同步衛星是一種運行周期與地球自轉周期相同，與地球同步旋轉，并相對于地面某一點始終保持靜止的人造衛星。
它有以下特點： （1）周期和角速度與地球相同，即T=24h （2）軌道固定，因ω、T與地球相同，又做勻速圓周運動，所以只能與地球在赤道平面上自轉同步。所有地球同步衛星的軌道都在赤道平面上，其距地面高度和軌道速度相同。 三、鞏固練習 1、發射一顆廣播電視節目的同步衛星，要求衛星與地面相對靜止，已知地球半徑，應把衛星發射到多少高度？（h=-R=3.59χ104km） 2、宇航員坐在人造衛星里，請解釋為什么衛星發射過程中人會感到超重？為什么衛星繞地球做勻速圓周運動時會出現完全失重的狀態？ 3、在繞地球運行的航天器的實驗艙內，下列哪些實驗可以正常進行？（CD） A.用天平稱量物體的質量 B.用彈簧秤稱量物體的重力 C.給鬧鐘上的發條上緊 D.用溫度計測量宇航員的體溫 4、關于第一宇宙速度，下列說法正確的是（BC） A.是人造衛星繞地球運行的最小速度 B.是人造衛星在近地圓軌道上運行的速度 C.是衛星進入近地圓軌道的最小發射速度 D.是衛星在橢圓軌道運行時的近地點速度 5、某行星的衛星在靠近該行星的軌道上飛行。假如要計算行星的密度，需要測量的物理量是（D） A.行星的半徑 B.衛星的半徑 C.衛星的線速度 D.衛星的周期 6.下列關于人造衛星與航天器的說法中，正確的是（AB） A.如果知道人造衛星的軌道半徑和周期，再利用萬有引力常數，就可以算出地球的質量 B.兩顆人造衛星，只要它們的軌道速度相等，不管它們的質量和形狀如何不同，它們的軌道半徑和軌道周期一定相同 C.原來，在同一軌道、同一方向運轉的兩顆人造衛星，一個在前，后一顆衛星要想追上前一顆衛星并與之相撞，只要增加后一顆衛星的速度就可以了。 D.一艘環繞火星飛行的航天器，宇航員們緩緩走出艙室，離開航天器。航天器的質量減少了，其收到的引力降低了，因此飛行速度降低了。五個分配創新設計第4次人造衛星宇宙速度[學習目標] 1.了解人造衛星的發射和操作原理，知道三個宇宙速度的含義，并能夠獲得第一個速度。
2.通過理解人工衛星的運行原則，我們可以認識到普遍吸引人的作用，并培養學生對人類的意識。[閱讀指南]。其中心速度加速度的速度越快，其飛行期越快，其引力勢能越快，其動能越快，其發射過程中消耗的能量就越快，并且發射的速度越快。
【課堂鍛煉】★鞏固基礎1.如果人造衛星以均勻的圓形運動繞地球繞地球繞地球繞地球繞地球，那么正確的陳述為（）A。A。衛星的軌道半徑越大，其運行速度就越大B.衛星的軌道半徑越大，衛星的運行速度就越大，則較大的群體較大， a 較大，當時，何時又一次，當時，何時又一次，當時，何時又一次;是恒定的，軌道半徑越大，所需的中心力越小。2。小行星以均勻的圓形運動繞太陽繞太陽。 The is 4 times the of the earth's , then () A. Its is 2 times the of the earth B. Its is 1/2 of the of the earth C. Its is 4 years D. Its is 8 years 3. Let m the mass of the earth ( ), h the of the from the , R0 the of the earth, g0 the at the of the earth, ω0 the of the earth's , then the of the force on the from the earth is () A. equal to zero B. equal to C. =D. 上述結果都不是正確的4.地球兩個人造衛星的質量比為m1：m2 = 1：2，圓軌道半徑的比率為r1：r2 = 1：2，然后（）。它們的中心力F1：F2 = 1：1 5.人造衛星的飛行速度（線性速度）隨著飛行高度的增加而降低。 ，人造地球衛星的最短時期。 7.行星的質量約為地球的9倍，如果地球是從地球測量的一半。
