教科版高一物理必修二教案：3.4人造卫星宇宙速度

§3.4 人造卫星 宇宙速度 教学目标 （一）知识与技能 1．了解人造卫星的有关知识． 2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度． 3．通过实例，了解人类对太空的探索历程． （二）过程与方法 1．能通过航天事业的发展史说明物理学的发展对于自然科学的促进作用． 2．通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的 能力． （三）情感态度与价值观 1．通过对我国航天事业发展的了解，进行爱国主义的教育． 2．关心国内外航空航天事业的发展现状与趋势，有将科学技术服务于人类 的意识． 教学重点 会推导第一宇宙速度． 教学难点 运行速率与发射速度的关系． 教学过程 学：情景导学 1. 嫦娥奔月 2. 万户飞天 世界上第一个想利用火箭飞行的人。“飞天，乃是我中华千年之夙愿。今天， 我纵然粉身碎骨，血溅天疆，也要为后世闯出一条探天的道路来。你等不必害怕， 快来点火!” 3. 万有引力定律的发现，不仅解决了天上行星的运行问题，也为人们开辟 了上天的理论之路．那么，如何让从地面抛出的物体不再落回地面？ 问：质疑问难 如何计算第一宇宙速度？ 1. 若 已 知 地 球 质 量 M=5.98x1024kg ， 地 球 半 径 R=6400km ， 引 力 常 量 G=6.67x10-11N·m2/kg2。则大炮至少以多大的水平速度发射炮弹，炮弹才能 绕地球表面运动不会落下来 ，成为地球的一颗卫星？ 方法一： GMm r2 ＝mv2 r ，得 v＝ GM r 近地条件 r＝R(R 为地球半径)，R＝6400 km， 代入地球质量 M＝6×1024 kg，得 v＝ GM R ＝7.9 km/s. 2.若地球质量未知，而知道地球表面处的重力加速度 g 和地球半径 R，如何 求第一宇宙速度? 方法二：在地面附近，重力等于万有引力，此力提供卫星做匀速圆周运动的 向心力． (地球半径 R、地面重力加速度 g 已知) 由 mg＝mv2 R 得 v＝ gR＝ 9.8×6 400×103 m/s＝7.9 km/s. 3.若已知地球质量 M，引力常量 G=6.67x10-11N·m2/kg2，设卫星的轨道半径 为 r，求卫星的线速度大小为 v，角速度为ω，周期为 T，向心加速度为 a. 根据万有引力定律与牛顿第二定律得 GMm r2 ＝ma＝mv2 r ＝mrω2＝mr4π2 T2 所以，卫星运行速度、角速度、周期和半径的关系分别为： v＝ GM r ，ω＝ GM r3 ，T＝ 4πr3 GM . 行：学以致用 1.如图，A、B、C 是地球的三颗卫星，则下列说法正确的是( ) A. A 的运行速度最大 C B. C 的运行速度最大 C. A 的运行周期最大 D. C 的运行周期最大 思：寻思探究 第一宇宙速度 V=7.9km/s 的意义？（学生思考回答，老师总结） 1.是近地卫星绕地球做匀速圆周运动的线速度； 2.是在地面附近发射卫星的最小发射速度； 3.是卫星绕地球做匀速圆周运动的最大运行速度。 学：目标导学 阅读课本，能表述第二宇宙速度和第三宇宙速度的物理意义并记住其数值。 第二宇宙速度：在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕 太阳运行的人造卫星或飞到其他行星上去所必须达到的最小发射速度．v2＝11.2 km/s. →人造行星 第三宇宙速度：在地面上发射物体，使之最后能脱离太阳引力的束缚，飞到 太阳系以外的宇宙空间所必需的最小速度．v3＝16.7 km/s. →人造恒星 辨：讨论辨别 讨论并回到下列问题 1.发射速度和卫星绕地球运行的速度有什么区别？ 2.将卫星送入低轨道和送入高轨道所需的发射速度那个大？ 3.如果发射卫星的速度大于第一宇宙速度小于第二宇宙速度，卫星运行轨道 是怎样的？运行速度有什么特点？ 学生小组讨论，老师点拨。 简化的卫星发射过程：大炮发射。卫星飞行过程中，只受引力，完全凭借惯 性进入轨道。 实际的卫星发射过程：火箭发射。火箭飞行过程中，除了受引力外，还受向 前的推力。 二、梦想成真 学： 目标导学 学生阅读课文“梦想成真”这一部分，回答下列问题． 1.探索太空大事记——世界航天史 (1)1957 年 10 月 4 日成功发射人类第一颗人造卫星的国家是哪一个? (2)1961 年 4 月 12 日人类第一艘载人飞船进入太空,第一个进入太空的宇航员是 谁? (3)1969 年 7 月 20 日人类首次登上月球，此次登月的飞船叫什么？ (4)2013 年 9 月什么探测器经历 36 年旅程后飞出太阳系? 2.探索太空大事记——我国航天史 (1)1970 年 4 月 24 日中国第一颗人造卫星发射成功,这颗卫星叫什么名字? (2)2003 年 10 月 15 号中国第一艘载人飞船进入太空,这艘飞船叫什么?宇航员是 谁? 播放“神州六号”发射视频 点评：通过阅读课文，观看视频．感知人类探索宇宙的梦想，激发学生运用 知识解决问题的能力，促使学生树立献身科学的人生观、价值观． 行：学以致用 2. 在圆轨道上质量为 m 的人造地球卫星，它到地面的距离等于地球半径 R，地 面上的重力加速度为 g，则( )． A．卫星运行的速度为 2gR B．卫星运行的周期为 4π 2R g C．卫星的加速度为 1 2g D．卫星的动能为 1 4 mgR 解析：万有引力充当向心力，有 G Mm R＋R 2＝mv2 2R 又 g＝GM R2 故 v＝ GM 2R＝ gR 2 ，A 错．T＝2π×2R v ＝4πR 2 gR ＝4π 2R g ，B 对． a＝v2 r ＝v2 2R ＝g 4 ，C 错．Ek＝1 2 mv2＝1 2 mgR 2 ＝mgR 4 ，D 对． 答案：BD 总结：卫星问题的求解，应知道万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力．地 球表面的重力加速度 g＝GM R2 ，当 M 未知时，可用其代换．由于 g＝GM R2 经常用到， 所以叫“黄金公式”． 点评：运用现代教育信息技术，把人类第一颗卫星发射场景，我国卫星发射、 回收等有关资料片段重现在学生面前，给学生大量的生动的直观感受，使学生的 思维在直观情景中由感性具体上升到思维抽象，准确地得到人造卫星的概念． 3、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥 1 号”．设该卫星的轨道是圆 形的，且贴近月球表面．已知月球的质量约为地球质量的 1 81 ，月球的半径约为地 球半径的1 4 ，地球上的第一宇宙速度约为 7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速 率约为( )． A．0.4 km/s B．1.8 km/s C．11 km/s D．36 km/s 课堂小结 1．知识小结 万有引力定律和向心力公式相结合，可以推导出卫星绕行的线速度、角速度、 周期和半径的关系，记住三种宇宙速度的数值，结合航天知识可以进行实际的计 算．同步卫星是众多卫星当中较特殊的一种，认识它的特点和规律，可以用来求 解很多题目． 2．规律方法总结 (1)万有引力定律应用于卫星问题，是牛顿第二定律在天体运行中的具体应 用．把握好万有引力定律、牛顿第二定律、匀速圆周运动及其他力学知识的综合， 是解答本节问题的关键． (2)公式 GMm r2 ＝mg 中的 g 是与 r(即轨道半径)有关的量，而不是一个定值， 只是在地球表面附近时，g 的变化很小，在处理自由落体运动时，为了简化问题， 把 g 作为定值处理了． 布置作业 1．阅读教材的科学漫步栏目——黑洞． 2．上网查阅：(1)人造卫星的种类．(2)同步卫星的含义及特点． 3. P48 1，3 板书设计 5 宇宙航行 0 落回地面 一．宇宙速度 1.第一宇宙速度：V1=7.9km/s 卫星的最小发射速度 绕地球做椭圆运动的 发射速度 2. 第二宇宙速度：V2=11.2km/s 脱离地球的最小发射速度 绕太阳运动运动 3. 第三宇宙速度：V3=16.7km/s 脱离太阳的最小发射速度 离开太阳系 V 二、梦想成真 1. 探索太空大事记——世界航天史 2. 探索太空大事记——我国航天史