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第页共页人造卫星与宇宙速度——物理教学案例分享2物理教学案例分享近年来，越来越多的人工卫星被送入轨道，用于进行通讯、气象观测、地球资源调查等任务。而这些任务的实现离不开对宇宙速度的了解和利用。于是，以人造卫星与宇宙速度为主题的物理教学案例也成为了教学中不可或缺的一环。一、实验目的通过实验，使学生了解宇宙速度的概念及其与人造卫星的关系，培养学生的实验观察能力和解决问题的能力。二、实验原理宇宙速度的概念宇宙速度是指在万有引力作用下，质点能够逃逸出星球引力场的最小速度。在地球表面，质点需要具有每秒7.9千米的速度才能突破地球引力场，进入到太空中。这个速度称之为地球第一宇宙速度。而离地球越远，逃逸所需速度越小，也就是所谓的第二、第三宇宙速度。人造卫星的运行人造卫星进行轨道运动时，需要维持恒定速度与地球引力平衡，才能保持稳定的轨道状态。一般来说，如图所示，卫星的运动分为两个部分：在大气层内，人造卫星需要获得一定的速度以突破地球引力，进入太空；在太空中，卫星需要保持一定速度以维持轨道运动。宇宙速度与轨道速度的关系轨道速度是人造卫星在轨道上的速度，它与其轨道高度和重力有关，一般由以下公式得出：v=√(GM/r)，其中G为万有引力常量，M为地球质量，r为轨道半径。显然，轨道速度随卫星到地球的距离增加而减小，但同时卫星运行轨道也越来越长，这就体现了宇宙速度与轨道速度的关系。如图所示，当轨道半径增加到地球引力球外（最外层轨道），引力作用极小，轨道速度接近宇宙速度。三、实验材料万能计时器、点火器（热火花点火器）、空瓶、网球等四、实验步骤装设实验器材，如图所示，常温常压下，预先准备一个压力相同的小球，保证实验精度。将小球放入空瓶内，灌满氢气。注意要保证氢气填充质量相同。测量每个小球装填氢气后的质量和体积，录入数据表。打开计时器，先启动小球一。在小球一到达一定速度（样本一）时，启动小球二。注意手速，以保证数据的准确性。测量小球二的射程，记录并计算速度。数次重复以上实验，每次都记录准确数据，取多个测量值求平均，以得到一定准确性的结果。五、实验结果通过上述实验，我们得到如下数据：通过数值计算，我们可以得出射出速度约为421m/s，远远不及地球的第一宇宙速度。结合人造卫星的轨道运动原理，我们可以看出：这个速度虽然无法让小球逃离地球引力范围，但在太空作为卫星的轨道速度，射出速度已经远大于地球的第一宇宙速度，因此小球完全可以在太空中完成轨道飞行。六、实验分析本实验通过简单的装置，让学生了解到了宇宙速度概念以及与人造卫星的关系。在实验过程中，学生需要操作计时器、点火器等器具，锻炼了实验操作和观察的能力。此外，学生需要将实验得到的数据进行统计和计算，培养了解决问题的能力。在实验分析阶段，教师还可以将数据结果与理论进行比较，引导学生进一步理解物理知识。人造卫星

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