高中物理第六章万有引力与航天第5节宇宙航行教案

5．宇宙航行教学目标知识与技能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。

过程与方法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。

情感、态度与价值观1．通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情；2．感知人类探索宇宙的梦想．促使学生树立献身科学的人生价值观。

教学重点第一宇宙速度的推导。

教学难点运行速率与轨道半径之间对应的关系。

教学方法探究、讲授、讨论、练习。

教具准备多媒体课件教学过程［新课导入］1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星，开创了人类航天时代的新纪元。

我国在70年代发射第一颗卫星以来，相继发射了多颗不同种类的卫星，掌握了卫星回收技术和“一箭多星”技术，1999年发射了“神舟”号试验飞船。

随着现代科学技术的发展，我们对人造卫星已有所了解，那么地面上的物体在什么条件下才能成为人造卫星呢？人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。

［新课教学］一、人造地球卫星1．牛顿的设想在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远。

因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。

假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。

2．人造地球卫星（1）人造地球卫星从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。

（2）人造地球卫星必须满足的条件地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。

（3）描述卫星运动的物理量设地球的质量为M ，卫星的质量为m ，地球的半径为R ，卫星离地面的高度为h ，则卫星的轨道半径r ＝R ＋h ，设卫星在轨道上运动的向心加速度为a ，线速度为v ，角速度为ω，周期为T ，根据万有引力提供人造卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系，得：222224Mm v πF G ma m ωr m mr r r T=====①卫星的向心加速度2GMa r=，r ↑→a ↓。

②卫星运动的角速度ω=r ↑→ω↓。

③卫星运动的线速度v =r ↑→v ↓。

④卫星运动的周期2T =r ↑→T ↑。

当人造卫星环绕地球表面运动时，r min ＝R ，T min ＝5060s 。

所以不可能在地球上发射一颗周期是80min 的卫星。

强调卫星的轨道与相关各量的一一对应性。

二、宇宙速度设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转，卫星绕地球运转的向心力由地球的万有引力来提供。

由v =【思考讨论】是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？ 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，火箭要克服地球对它的引力做更多的功。

1．第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity ），也叫做地面附近的环绕速度。

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212v MmF G m mg R R ===1v ==7.9km/s 2．第二宇宙速度如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s ，此时卫星的运行轨道又如何呢？①当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s ，而小于11.2 km/s ，它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆。

②当物体的速度等于或大于11.2km/s 时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。

(此时轨道为抛物线)从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。

也叫做地面附近的脱离速度。

21v =＝11.2 km/s3．第三宇宙速度达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力。

在地面附近发射一个物体，要使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7 km/s ，这个速度叫做第三宇宙速度。

(以大于第三宇宙速度发射的人造天体，其轨道为双曲线)从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。

v 3＝16.7km/s三、同步卫星简介(向学生介绍有关卫星的轨道问题：让学生画出他认为可能的轨道，逐一分析，得出卫星的轨道要想稳定，轨道必须在通过地球球心的大圆轨道内。

介绍轨道平面、轨道倾角等概念；介绍极地轨道、赤道轨道等轨道类型)同步卫星是指相对于地球静止，即始终在地球某一位置的正上方。

因而，同步卫星必须有一定的条件。

首先，卫星的运动方向必须与地球的自转方向一致，且和地球自转的角速度要相同。

如图所示，假定卫星m 在赤道上空以外的某空间随地球转动，其受力为地球对它的万有引力F ，将F 分解为指向地轴的分力F 1，该力作为卫星随地球转动的向心力，另一分力为F 2，实际中找不到与F 2相平衡的力，所以卫星将落向赤道平面，此时地球对卫星的万有引力全部作为向心力，所以同步卫星只能定点在赤道上空。

1．地球同步卫星的特点（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。

（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。

【例题】已知地球半径R ＝6400km ，运转周期T ＝24h ＝24×3600s ，地球质量M ＝5.98×1024kg ，求同步卫星的轨道高度h ？解析：同步卫星作匀速圆周运动所需的向心力同万有引力提供，根据向心力公式有：22224()()()Mm πG m R h ωm R h R h T=+=++h R R == 代入数值解得：h ＝3.6×107m 。

（说明：可以用GM ＝R 2g 来计算） 2．地球同步卫星的“五定”定周期（运转周期与地球自转周期相同）；定轨道平面（轨道平面与赤道平面重合）；定高度（离地高度为36000km），定速度（线速度均为3.1×103m/s）；定点（每颗同步卫星都定点在世界卫星组织规定的位置上）。

四、梦想成真探索宇宙的奥秘，奔向广阔而遥远的太空，是人类自古以来的梦想。

真正为人类迈向太空提供科学思想的，是生于19世纪中叶的俄罗斯学者齐奥尔科夫斯基。

他指出，利用喷气推进的多级火箭，是实现太空飞行最有效的工具。

地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。

——齐奥尔科夫斯基1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星在苏联发射成功。

卫星重83.6 kg，每96min绕地球飞行一圈。

几年之后，1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。

火箭点火起飞，飞船绕地球飞行一圈，历时108 min，然后重返大气层，安全降落在地面，铸就了人类进入太空的丰碑。

1969年7月16日9时32分，阿波罗11号飞船在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。

7月19日，飞船进入月球轨道。

7月20日，指挥长阿姆斯特朗和驾驶员奥尔德林进入登月舱，与母船分离后于下午4时17分在月面着陆。

10时56分，阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面，并说出了那句载入史册的名言：“对个人来说，这不过是小小的一步，但对人类而言，却是巨大的飞跃。

”人们祝贺说：“由于你们的成功，天空已成为人类世界的一部分。

”1992年，中国载人航天工程正式启动。

2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。

飞船绕地球飞行14圈后，于10月16日6时23分安全降落在内蒙古主着陆场。

这次成功的发射实现了中华民族千年的飞天梦想，标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载入航天活动的国家，为进一步的空间科学研究奠定了坚实的基础。

尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……宇宙留给人们的思考和疑问深邃而广阔。

宇宙有没有边界？有没有起始和终结？地外文明在哪里？……爱因斯坦曾经说过：“一个人最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜。

”你想加入破解它的行列吗？［小结］通过本节课的学习，我们学习了绕地球飞行的卫星情况，了解了描述卫星的物理量的特点。

知道了第一宇宙速度（环绕速度）v1＝7.9km/s；第二宇宙速度（脱离速度）v2＝11.2km/s；第三宇宙速度（逃逸速度）v3＝16.7km/s。

要区分卫星的发射速度与卫星进入轨道后的环绕速度。

［布置作业］教材第44页“问题与练习”。

板书设计5．宇宙航行一、人造地球卫星1．牛顿的设想2．人造地球卫星（1）人造地球卫星从地面抛出的物体，在地球引力的作用下绕地球旋转，就成为绕地球运动的人造卫星。

（2）人造地球卫星必须满足的条件地球对卫星的万有引力恰好提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。

（3）描述卫星运动的物理量222224Mm v πF G ma m ωr m mr r r T=====①卫星的向心加速度2GMa r=，r ↑→a ↓。

②卫星运动的角速度ω=r ↑→ω↓。

③卫星运动的线速度v =r ↑→v ↓。

④卫星运动的周期2T =r ↑→T ↑。

二、宇宙速度 1．第一宇宙速度物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，叫做第一宇宙速度（first cosmetic velocity ），也叫做地面附近的环绕速度。

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212v MmF G m mg R R ===1v ==7.9km/s 2．第二宇宙速度从地面上发射人造天体，要使它脱离地球的引力，不再绕地球运行，所需要的最小发射速度，叫第二宇宙速度。

也叫做地面附近的脱离速度。

21v =＝11.2 km/s3．第三宇宙速度从地面上发射人造天体，使它不仅能脱离地球的引力，而且还能脱离太阳系的引力束缚，这时所需要的最小发射速度，叫第三宇宙速度，也称为逃逸速度。

v 3＝16.7km/s三、同步卫星简介1．地球同步卫星的特点（1）卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，卫星位于地球赤道的正上方，运动方向与地球自转方向一致。

（2）卫星的周期与地球自转的周期相同，或角速度与地球自转的角速度相同。