关于“第一宇宙速度”教学的几点教学建议

1、关于“第一宇宙速度”的几点教学建议贵州 贵阳新世界国际学校 徐家文摘 要第一宇宙速度的学习掌握是学生在学习万有引力中的重点与难点，在接触该概念的过程中，会存在与原先认识上的冲突，对许多问题会存在困惑。若教师在教学中不能很好地解答学生的困惑，学生在以后的运用中就不会灵活变通。关键字：第一宇宙速度，推导，发射方式，最小发射速度在学习宇宙速度时，按照教材安排，我们是以最初牛顿的思考引入，即：把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。如果速度足够大，物体就不再落回地面它将绕地球运动，成为人造地球卫星。根据牛顿第二定律，法一：卫星飞行所需要的向心力由万有引力提供，所以：由上面的方

2、程可以解出把地球的质量以及地球的半径带入，可以解出V=7.9km/s。法二，即重力提供向心力，此时，同样可以解出相同的结果。到此，若仅是按照以上教学思路，已经发现有很多喜欢思考的学生有了疑惑。学生困惑1：为什么在以上求解第一宇宙速度时可以用到法二，在前面的学习中已经学习过地球上万有引力与重力的关系了。一般情况，重力是要比万有引力小的呀，法二解出来的值会不会没有法一解的精确?对于该问题的解释：注意第一宇宙速度指的是近地卫星的环绕速度，对于该卫星来讲，它并不是静止在地球表面上，而是贴着地球表面做圆周运动，所以在此种情况下，地球的自转对卫星来讲没有任何影响。所以，此时的万有引力大小完全等于物体的重力

3、，方法二的计算是准确的。学生困惑2：一般的火箭的发射不是像牛顿所想的那样，而是开始发射时应该是竖直向上，之后再逐渐调整方向。对于该问题的解释：这是理论与实际的差别，当然要发射近地卫星，只有这种发射办法，若想发射高轨道，可在近地的基础上用变轨来实现。近地卫星是一种理想情况。实际的卫星发射是先向上，之后才不断调整方向。学生困惑3：为什么说第一宇宙速度是“最大环绕速度，同时也是最小发射速度”？解释：对于最大的环绕速度的理解，这学生基本可以解决。因为我们可以根据万有引力提供卫星所需的向心力，可以解出即半径越大的卫星，它们的线速度越小，反之，半径越小，则线速度越大，而第一宇宙速度就是半径最小的卫星的线速

4、度。我们再来看看“第一宇宙速度是最小发射速度”这一说法呢，该怎样去向学生解释才是最佳的呢？一般情况，很多老师在教学中，都是这样来教学的。首先抛出两个问题，让学生思考，（1）将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？（2）所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？根据生活经验，学生回答：发射高轨卫星更困难，所以发射高轨卫星所需要的速度更大。教师进而根据学生的回答，得出第一宇宙速度就是最小的发射速度这样的结论，对于这种教学方式，我个人认为不是太严谨，得到的过程比较牵强。首先，对于这个问题，我们得先思考这样的问题，什么是发射速度，这里我们做了这样一个规定，发射速度：指被发射物在地面附近离开发射装

5、置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道。这个规定与我们实际是有区别的，实际情况是火箭在上升过程中，需要燃料的燃烧来补充动能，所以不能这样去分析火箭问题。换个简单的理解方式，这里的发射速度就好比把一个东西抛出去，给这个物体的初速度就是我们的发射速度。1有了以上对发射速度的认识后，现在再回过来看我们的问题。我认为在教学中从能量守恒的角度最容易解释，也是学生最好的接受方法。卫星的变轨，从低轨到高轨，如右图所示，低轨道到高轨道需要经过两次加速，即需要经过两次能量的补充，可见，高轨道的卫星的机械能要比低轨道的大，然而卫星在运动过程中的机械能（取地面作为参考平面）完全来自最初发射火箭的动能（因为前面已经说了，发射后再无能量的补充），所以从发射的角度来讲，高轨道的卫星所需要的初动能也要比低轨道的大，也即所需要的发射速度要比低轨道的大，环绕地球表面做圆周运动是所有地球卫星中轨道最低的，所以说第一宇宙速度是最小发射速度。其实对于“第一宇宙速度”来讲不算是太难，但是在实际的教学中，有些问题往往是老师阐述不清，解释不到位，这样就很容易造成学生在学习过程中的困惑。以上几点也是笔者在实际教学中碰到的，所以整理成文，供各位同仁参考。参考文献1 张大昌.物理（必修2）M、北京：人民教育出版社