高中物理鲁科版3第三章液体 第二节万有引力定律的应用2

§人造卫星·宇宙速度教学设计设计意图本节课重点讲述人造卫星的发射原理，推导第一宇宙速度，介绍三个宇宙速度的含义。本节内容是万有引力定律在天体运动中的具体运用，是航天科学技术理论基础。引导学生运用科学的思维方法，探究人造卫星的发射原理，进行知识的正向迁移，顺利、流畅地推导第一宇宙速度，有助于培养学生的发散思维、逻辑思维，发展分析推理的能力。另外，学生通过对人造卫星、宇宙速度的了解，也将潜移默化地产生对航天科学的热爱，增强民族自信心和自豪感。学情分析：本班学生基础较差但热爱科学，学习积极性较高。师生关系和谐融洽，课堂气氛活跃，敢于交流、讨论，发表自己的观点、看法。通过前面的学习，学生已对曲线运动的特点、万有引力定律已有一定的了解。在此基础上，通过教师合理诱导，按照迁移规律科学地设计问题情境，促进学生探究，获得新知。尽管学生对天体运动的知识储备不足，猜想可能缺乏科学性，表达也许欠妥。但只要始终参与到学习情境中，五官体验激活思维，大胆猜想，敢于表达，就都能获得发展和提高。教学目标知识与技能掌握卫星的速度、角速度、周期及半径关系原理。会计算人造卫星的环绕速度.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度.了解同步卫星的有关知识过程与方法由牛顿曾设想的人造卫星原理图，结合万有引力定律和匀速圆周运动的知识推出第一宇宙速度.从卫星要摆脱地球或太阳的引力而需要更大的发射速度出发，引出第二宇宙速度和第三宇宙速度.情感、态度与价值观体会科学定律对人类探索未知世界的作用.教学重点、难点三、教学重点：（1）速度、角速度、周期与半径关系及推导。（2）人造卫星的发射原理.四、教学难点：环绕速度计算和理解教学方法自主讨论思考、推导、引导分析教具准备多媒体课件自制同步卫星模型教学活动[新课导入]

复习上节课内容：1、地球在作什么运动？人造地球卫星在作什么运动？通过展示图片为学生建立清晰的图景．2、作匀速圆周运动的向心力是谁提供的？地球与卫星间的万有引力即由牛顿第二定律得：导出新课：问题：卫星绕地球做匀速圆周运动，那么其线速度、角速度、周期又是与什么因素有关系？

一、人造地球卫星的v、w、T、a与r的关系①卫星绕地球的线速度：②卫星绕地球的周期：③卫星绕地球的角速度：例、如图所示，三颗人造地球卫星的质量Ma=Mb＜Mc，b与c半径相同，则： （） A．线速度vb=vc＜va B．周期Tb=Tc＞Ta C．b与c的向心加速度大小相等，大于a的向心加速度D．b所需的向心力最小讨论v、T与r之间的关系：学生：由于GM一定，r越小，线速度v越大，反之，r越大，v越小.即：r↑→v↓同理：r↑→T↑。结论：v,w,a，T的大小只跟r及M有关，与卫星本身质量m无关。1、当轨道半径不变时，则卫星的周期不变、卫星的线速度不变、卫星的角速度也不变．2、轨道半径r越大，周期为T越大，v,w,a越小。3、向心力大小除了与r及M有关外，还与m有关。课堂练习：1、一做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍，仍做匀速圆周运动，则： （） A．根据公式v=ωr，可知卫星的线速度增大到原来的2倍 B．根据公式F=mv2/r，可知卫星所需的向心力减小到原来的1/2 C．根据公式F=GMm/r2，可知地球提供的向心力将减小到原来的1/4 D．根据上述B和A给出的公式，可知卫星的线速度将减小到原来的√2/2提问：距地面越高的卫星运转速率越小。那么，是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？学生：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭上升过程重要消耗更多的能量

课堂练习：2、假如地球和人造卫星的质量分别为M

和m，地球半径为R，对于靠近地面运行的人造卫星，求它绕地球的速率对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则我们知道，离地面一定高度的物体以一定的初速度水平射出，由于重力作用，物体将做平抛运动即最终要落回地面。但如果射出的速度增加某一数值，则将成为地球卫星，这一速度（即卫星的最小发射速度）多大？

总结：这个速度就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度。也称环绕速度。

注意:第一宇宙速度就是最大的运行速度和最小的发射速度演示牛顿设想原理图。由于抛出速度不同，物体的落点也不同。当抛出速度达到一定大小，物体就不会落回地面，而是在引力作用下绕地球旋转，成为绕地球运动的人造卫星。

二、宇宙速度

1、第一宇宙速度v1=s

请学生根据所学的知识，推导第一宇宙速度的另一种表达式推导：地面附近重力提供向心力：mg=mv2/r

将R=×106m,

g=s2代入，求出第一宇宙速度仍为s。

如果人造地球卫星进入轨道的水平速度大于s，而小于s，它绕地球运动的轨道就不是圆，而是椭圆。当物体的速度等于或大于s时，物体就可以挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造卫星。所以，s

是卫星脱离地球的速度，这个速度叫作第二宇宙速度，也称脱离速度。

2.第二宇宙速度（脱离速度）

v2=s

达到第二宇宙速度的物体还受太阳引力的束缚，要想使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去，必须使它的速度等于或大于s，这个速度叫作第三宇宙速度，也称逃逸速度。

3.第三宇宙速度（逃逸速度）

v3=s

人造地球卫星的种类很多，有一种特别的卫星叫地球同步卫星。

三、地球同步卫星

地球同步卫星是指其公转周期和地球自转的周期相等的卫星。地球同步卫星有几个明显的特点：（演示课件）

特点：

周期一定--23小时56分4秒

方位一定--赤道上空

高度一定×107m

地球同步卫星。1、同步的含义（引导学生分析）：与地球同步，同步卫星的公转周期与地球自转周期相同，即24小时。2、判断轨道位置：有人说轨道必须在赤道正上方，对不对？学生分析：（提示：建立正确的物理模型，明确运动情景）假如不在赤道正上方，对卫星受力分析（画图），通过分析可知，卫星将向赤道移动，即此卫星不可能与地球同步。3、判断轨道高度：让学生自己推导：（依据的主要关系是向心力与万有引力相等，且同步卫星的公转周期是24小时）由（Ｒ＋ｈ）得：ｈ＝ｋｍ=５．６Ｒ由此可见，地球同步卫星距地面的高度是固定的，又因所有同步卫星只能位于赤道正上方，故所有地球同步卫星均位于同一轨道。课堂例题及练习3．可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道A．与地球表面上某一纬度线(非赤道)是共面同心圆B．与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆C．与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的D．与地球表面上