高一物理最新教案-651人造卫星、宇宙速度(Ⅰ)(Ⅱ) 精品

【高一物理第六章教案六】
6.51 人造卫星、宇宙速度(Ⅰ) (Ⅱ)
一．教学目标：
1．了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系。

2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。

二．教学重点：
1．人造地球卫星的发射及运行原理。

2．对第一宇宙速度的确切理解。

三．教学难点：人造地球卫星的发射速度与运行速度的区别。

四．教学方法：引导启发式
五．教学过程：
〖引入新课〗
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，99年发射了“神舟”号试验飞船。

这节课，我们要学习有关人造地球卫星的知识。

〖新课教学〗
㈠人造地球卫星
1．牛顿对人造卫星原理的描绘。

设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越
大，可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。

2．人造卫星绕地球运行的动力学原因。

人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。

3．人造卫星的运行速度。

设地球质量为M ，卫星质量为m ，轨道半径为r ，由于万有引力提供向心力，则2
2Mm v G m r r
=，
∴v = 可见：高轨道上运行的卫星，线速度小。

提出问题：角速度和周期与轨道半径的关系呢？
v r ω==
，
22T πω==可见：高轨道上运行的卫星，角速度小，周期长。

引入：高轨道上运行的卫星速度小，是否发射也容易呢？这就需要看卫星的发射速度，而不是运行速度
㈡宇宙速度
1． 第一宇宙速度
⑴推导：
问题：牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？地球半径为6370km 。

分析：在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。

由万有引力提
供向心力：
22M m V G m R R =，
得：v =又∵2Mm mg G R
=
∴37.910/7.9/v m s km s ⨯= 结论：如果发射速度小于7.9km/s ，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s ，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s 。

可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。

⑵意义：第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。

2．第二宇宙速度
① 大小211.2/v km s =。

② 意义：使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小
发射速度，也称为脱离速度。

③ 注意：发射速度大于7.9km/s ，而小于11.2km/s ，卫星绕地球运动
的轨迹为椭圆；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。

3．第三宇宙速度。

① 大小：316.7/v km s =。

② 意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。

③ 注意：发射速度大于11.2km/s ，而小于16.7km/s ，卫星绕太阳作椭
圆运动，成为一颗人造行星。

如果发射速度大于等于16.7km/s ，卫
星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。

㈢人造卫星的发射速度与运行速度
1．发射速度：
发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充，要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度。

2．运行速度：
运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度。

当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，运行速度小于第一宇宙速度。

〖例题分析〗
例1． 有两颗人造卫星，都绕地球做匀速圆周运行，已知它们的轨道半径
之比r 1：r 2＝4：1，求这颗卫星的：⑴线速度之比；⑵角速度之比；⑶周期之比；⑷向心加速度之比。

解：⑴由22Mm v G m r r =
得v =所以12:1:2v v =
⑵由22Mm G m r r ω=
得ω= 所以12:1:8ωω=
⑶由2T π
ω=得12:8:1T T =
⑷由2Mm G ma r
=得12:1:16a a = 例2． 地球半径为6400km ，在贴近地表附近环绕地球做匀速圆周运动的
卫星速度为7.9×103m/s ，则周期为多大？估算地球的平均密度。

解：⑴2508784.8min R T s v
π===； ⑵由2
224Mm G m R R T
π=
得：33233 5.410/43
M kg m GT R πρπ===⨯ 思考：能否发射一颗周期为80min 的人造地球卫星？
〖课堂小结〗
1． 人造地球卫星的动力学原因。

2． 宇宙速度。

3． 发射速度与运行速度。

〖布置作业〗 课本P 110⑶⑷⑸
【高一物理第六章教案七】
6.52 人造卫星 宇宙速度(Ⅱ)
一．教学目标：
1． 进一步理解人造卫星的运行原理以及卫星中的失重现象。

2． 知道同步卫星的知识及应用。

二．教学重点：同步卫星的特点及应用
三．教学难点：卫星在轨道上运行时各物理量之间的关系
四．教学方法：启发式
五．教学过程：
〖提问引入〗
人造卫星进入轨道后，在正常运行过程中，卫星是否处在平衡状态？卫星中的物体处于什么状态？
〖新课教学〗
㈠人造卫星中的“失重”现象
1.轨道处的加速度
卫星正常运行时，地球对它的万有引力提供向心力，
即
2
2
Mm v
G m
r r
=，则
2
2
v GM
a
r r
==，
此加速度也等于轨道处的重力加速度。

因此，卫星不可能处于平衡状态。

2.卫星中的物体处于完全失重状态
卫星中的物体跟随卫星一起绕地球作匀速圆周运动，受到的引力全部提供圆周运动所需要的向心力，其加速度即为轨道处的重力加速度，而对支持物没有弹力作用，处在完全失重状态。

凡是工作原理与重力有关的仪器（如天平、水银气压计等）在卫星中都无法使用，凡是与重力有关的实验，在卫星中也无法进行。

引导学生思考：在正常运行的卫星中，有一物体自行脱落，该物体作何种运动？
引入：由于卫星受到的万有引力提供了它绕地球运行的向心力，轨道半径越大的卫星，运行速度越小，不同的卫星可能在不同的轨道上运行，满足什么样的条件，卫星能和地球自转同步呢？
㈡地球的同步卫星
1．同步卫星与地面相对静止，与地球自转同步，周期为24h。

2．同步卫星的运行方向与地球自转方向相同。

3．同步卫星定点在赤道正上方，离地高度、运行速率是唯一确定的。

分析：由于运行时，万有引力提供卫星运转的向心力，所以卫星的轨道平面必过地球中心，万有引力必须在轨道平面上，而同步卫星与地球自转同步，所以其轨道平面必定与赤道平面重合，且所有同步卫星都在赤道正上方。

设地球质量M，半径为R，自转周期为T，同步卫星质量m，离地高度
h ，由牛顿第二定律：
2224()()Mm G m R h R h T π=++
∴h R = 又∵2GM g R =
∴h R = 可见：同步卫星的离地高度是唯一确定的，线速度大小也就唯一确定了。

代入具体数据可得35800h km =。

〖例题分析〗
例1．我国于1986年2月1日成功发射了一颗实用地球同步卫星，于1999
年11月20日又成功发射“神舟号”试验飞船，飞船在太空中飞行了21小时，绕地球14圈，又顺利返回地面。

那么此卫星与飞船在轨道上正常运转比较：
A ．卫星的运转周期较大
B ．卫星的运转速率较大
C ．卫星的加速度较大
D ．卫星的离地高度较大
分析：飞船在轨道上正常运行时，地球对它的引力提供向心力，其周期21 1.514
T ==飞小时，比同步卫星小，可得A 、D 正确。

例2．我国发射的亚洲一号通讯卫星的质量为m ，如果地球半径为R ，自转
角速度为ω，表面重力加速度为g ，则卫星： A
．距地面的高度h R =
B
．环绕速度v =
C
．受到地球引力为D ．受到地球引力为mg
分析：由2
2()Mm mv G R h R h
=++和2GMm mg R =知A 、B 正确，由2
v F m mv R h
ω==+
，把v =C 正确，D 肯定不对。

例3 ．球半径为R ，距地心为r 处有一颗同步卫星，另一星球半径为3R ，距
该星球球心为3r 处也有一颗同步卫星，它的周期为72h ，则该星球的平均密度为地球的几倍？
解：对于地球的同步卫星：
22Mm G m r r ω=， 得2323
2
4r r M G GT ωπ==， 地球密度3
233M r V GT R
πρ==， 同理，某星球的密度为： 3323233'3(3)1'''(3)(3)9
r R GT R G T R ππρρ===
〖课堂小结〗
1．卫星中物体所处的状态。

2．同步卫星的特点。

〖布置作业〗 课本P 111⑹⑺。