人造衛(wèi)星宇宙速度優(yōu)教及訓(xùn)練題

1、第五節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度本節(jié)教材分析本節(jié)教材重點(diǎn)講述了人造地球衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導(dǎo)了第一宇宙速度，應(yīng)使學(xué)生確切地理解，第一宇宙速度是衛(wèi)星軌道半徑等于地球半徑時(shí)，即衛(wèi)星在地面附近，環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度，當(dāng)軌道半徑r大地球半徑時(shí)，衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度變小.在實(shí)際教學(xué)時(shí)，學(xué)生常據(jù)課本圖64所描述的情況得出離地球表面越高的地方，其運(yùn)行速度越大的錯(cuò)誤結(jié)論，對(duì)此可向?qū)W生說明：衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)，它在各點(diǎn)的速度大小是不同的，在近地點(diǎn)速度最大，以后逐漸就小，在遠(yuǎn)地點(diǎn)速度最小.雖然公式只適用于描述做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星，但是由橢圓軌道上衛(wèi)星的運(yùn)行情況，也可以大致印證當(dāng)r變大時(shí)，v變小.二、能力

2、目標(biāo)通過用萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力.三、德育目標(biāo)1.通過介紹我國在衛(wèi)星發(fā)射方面的情況，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情.2.通過簡(jiǎn)述宇宙的產(chǎn)生過程，使學(xué)生明確宇宙將如何演化下去的問題需要我們不斷地去探索增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.教學(xué)重點(diǎn)1.第一宇宙速度的推導(dǎo).2.運(yùn)行速率與軌道半徑之間的關(guān)系.教學(xué)難點(diǎn)運(yùn)行速率與軌道半徑之間的關(guān)系.教學(xué)方法1.關(guān)于第一宇宙速度和地球同步衛(wèi)星軌道的教學(xué)，采用電教法、推導(dǎo)法、歸納法、講授法等綜合教法進(jìn)行.2.關(guān)于天體的幾個(gè)層次的教學(xué)，采用電教法、講授法進(jìn)行.教學(xué)用具投影片、cai課件（牛頓描繪的人造衛(wèi)星原理圖）、有關(guān)天體的錄像資料.教學(xué)過程用投影

3、片出示本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo).1.了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí).2.知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度.3.了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的幾個(gè)主要天體層次.4.了解宇宙大爆炸理論.教學(xué)步驟一、導(dǎo)入新課1.問：在高山上用不同的水平初速度拋出一個(gè)物體，不計(jì)空氣阻力，它們的落地點(diǎn)相同嗎？學(xué)生：它們的落地點(diǎn)不同，速度越大，落地點(diǎn)離山腳越遠(yuǎn).因?yàn)樵谕蛔呱缴蠏伋?，它們?cè)诳罩羞\(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同，速度大的水平位移大，所以落地點(diǎn)也較遠(yuǎn).教師：假設(shè)被拋出物體的速度足夠大，物體的運(yùn)動(dòng)情形又如何呢？學(xué)生進(jìn)行猜想.教師總結(jié)，并用多媒體模擬.如果地面上空有一個(gè)相對(duì)于地面靜止的物體，它只受重力的作用，那么它就做自由落體

4、運(yùn)動(dòng)，如果物體在空中具有一定的初速度，且初速度的方向與重力的方向垂直，那么它將做平拋運(yùn)動(dòng)，牛頓曾設(shè)想過：從高山上用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也一次比一次離山腳遠(yuǎn)，如果沒有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的人造地球衛(wèi)星，簡(jiǎn)稱人造衛(wèi)星.2.引入：那么人造衛(wèi)星的軌道半徑和它的運(yùn)動(dòng)速率之間有什么關(guān)系呢？本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)這個(gè)問題。二、新課教學(xué)（一）宇宙速度1.設(shè)一顆人造衛(wèi)星沿圓形軌道繞地球運(yùn)轉(zhuǎn).教師：衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的向心力由什么力提供？學(xué)生：由衛(wèi)星所受地球的萬有引力來提供.據(jù)上述關(guān)系你能得到什么表達(dá)式？學(xué)生：所以我們得到教

5、師：在公式中，m為地球質(zhì)量，g為引力恒量，r為衛(wèi)星軌道半徑.此式為衛(wèi)星繞地球正常運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度的表達(dá)式.2.討論v與r之間的關(guān)系：學(xué)生：由于gm一定，r越小，線速度v越大，反之，r越大，v越小.教師：由此我們得到：距地面越高的衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速率越小.那么，是向高軌道發(fā)射困難，還是向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難呢？學(xué)生：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難，因?yàn)橄蚋哕壍腊l(fā)射衛(wèi)星，火箭要克服地球?qū)λ囊ψ龈嗟墓?3.對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星，求解它繞地球的速率.學(xué)生解答.在多媒體實(shí)物投影儀上抽查展示解題過程.對(duì)于靠近地面運(yùn)行的人造衛(wèi)星，可以認(rèn)為此時(shí)的r近似等于地球的半徑r，則教師：這個(gè)速度就是人造衛(wèi)星在地

6、面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，叫第一宇宙速度.4.討論：第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球的最大速度，為什么？為什么說第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度？學(xué)生討論后，教師總結(jié)：第一宇宙速度v=7.9km/s可理解成：一是發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入最低軌道所必須具有的最小速度.二是衛(wèi)星進(jìn)入軌道正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大環(huán)繞速度，即所有衛(wèi)星的環(huán)繞速度均小于7.9km/s.過渡：如果衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,此時(shí)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道又如何呢？5.教師講解，并用多媒體模擬：當(dāng)人造衛(wèi)星進(jìn)入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,而小于11.2 km/s,它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不是圓形，而是橢圓.當(dāng)物體的速度等于或

7、大于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)行，這個(gè)速度叫做第二宇宙速度，也叫脫離速度.達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力，如果使衛(wèi)星的速度等于或者大于16.7km/s,這個(gè)速度叫做第三宇宙速度.(二）用多媒體放映“航天技術(shù)的發(fā)展和宇宙航行”的錄像資料，使學(xué)生了解我國在航天技術(shù)上所取得的巨大成就.（三）行星、恒星、星系和宇宙教師：在萬有引力的應(yīng)用中，我們談到了利用萬有引力定律發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星，本節(jié)課我們又學(xué)習(xí)了人造衛(wèi)星，那么在宇宙中還有哪些天體存在呢？1.學(xué)生閱讀課文.2.學(xué)生總結(jié)天體的層次.行星恒星星團(tuán)星系宇宙3.用多媒體展示天體各層次的實(shí)例.4.問：那么宇宙又是如何

8、形成的呢？教師介紹宇宙大爆炸理論及該理論的依據(jù)：宇宙大爆炸理論認(rèn)為：宇宙起源于約二百億年前的一次大爆炸，爆炸初期，宇宙中現(xiàn)在可以看到的所有物質(zhì)都聚積在一起，宇宙的密度非常大，溫度非常高，隨著宇宙的不斷膨脹，溫度逐漸下降.星系、恒星、行星、生命等逐漸形成，直至現(xiàn)在我們所處的這個(gè)宇宙.現(xiàn)代觀測(cè)表明，除了銀河系附近幾個(gè)星系外，幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離銀河系，而且遠(yuǎn)離的速度與距離成正比，這說明宇宙在膨脹著，這一事實(shí)為宇宙大爆炸理論奠定了基礎(chǔ).學(xué)生據(jù)課文內(nèi)容，想象今后的宇宙將怎樣發(fā)展演化下去.教師：有關(guān)宇宙是怎樣產(chǎn)生的，又將如何演化下去等問題還有許多課題需要我們不斷地去研究、探索，希望同學(xué)們努力學(xué)習(xí)，將來

9、投入到這一研究中.三、鞏固練習(xí)1.發(fā)射一個(gè)用來轉(zhuǎn)播電視節(jié)目的同步衛(wèi)星，應(yīng)使它與地面相對(duì)靜止，已知地球半徑為6400km,問此衛(wèi)星應(yīng)發(fā)射到什么高度？2.宇航員坐在人造衛(wèi)星里，試說明衛(wèi)星在發(fā)射過程中人為什么會(huì)產(chǎn)生超重現(xiàn)象？當(dāng)衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)又為什么會(huì)產(chǎn)生完全失重現(xiàn)象？四、小結(jié)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道了：1.第一宇宙速度（環(huán)繞速度）v1=7.9km/s2.第二宇宙速度（脫離速度）v2=11.2km/s3.第三宇宙速度（逃逸速度）v3=16.7km/s2.宇宙中天體的層次：行星恒星星團(tuán)星系宇宙五、作業(yè)（一）課本p110練習(xí)二的（3），（4），（5），（6），（7）.（二）思考題：1.要使人

10、造衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，它進(jìn)入地面附近的軌道速度是km/s.要使衛(wèi)星脫離地球引力不再繞地球運(yùn)行，必須使它的軌道速度等于或大于km/s，要使它飛行到太陽系以外的地方，它的速度必須等于或大于km/s.2.關(guān)于第一宇宙速度，下面說法正確的是a.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度b.它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度c.它是使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度d.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)在近地點(diǎn)的速度3.在環(huán)繞地球運(yùn)行的宇宙飛船的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，下面幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中可以正常進(jìn)行的是a.用天平稱物體的質(zhì)量b.同彈簧秤稱物體的重力c.上緊鬧鐘上的發(fā)條d.用體溫表測(cè)宇航員的體溫4.某行星的衛(wèi)星，在靠近行星的軌道上飛

11、行，若要計(jì)算行星的密度，需要測(cè)出的物理量是a.行星的半徑b.衛(wèi)星的半徑c.衛(wèi)星運(yùn)行的線速度d.衛(wèi)星運(yùn)行的周期5.關(guān)于人造地球衛(wèi)星與宇宙飛船的下列說法中，正確的是a.如果知道人造地球衛(wèi)星的軌道半徑和它的周期，再利用萬有引力恒量，就可算出地球質(zhì)量b.兩顆人造地球衛(wèi)星，只要它們的繞行速率相等，不管它們的質(zhì)量、形狀差別有多大，它們的繞行半徑和繞行周期就一定是相同的c.原來在同一軌道上沿同一方向繞行的人造衛(wèi)星一前一后，若要后一衛(wèi)星追上前一衛(wèi)星并發(fā)生碰撞，只要將后者速率增大一些即可d.一只繞火星飛行的宇宙飛船，宇航員從艙內(nèi)慢慢走出，并離開飛船，飛船因質(zhì)量減小，所受萬有引力減小，故飛行速度減小6.某人造衛(wèi)星

12、距地面的高度為h，地球半徑為r，質(zhì)量為m，地面重力加速度為g，萬有引力恒量為g.（1）試分別用h、r、m、g表示衛(wèi)星的周期t、線速度v和角速度.（2）試分別用h、r、g表示衛(wèi)星的周期t、線速度v和角速度.7.從地球發(fā)出的光訊號(hào)垂直于地面發(fā)射，訊號(hào)到達(dá)月球表面時(shí)正好能垂直射向水平月面，經(jīng)反射返回地球被吸收，光速為c，光訊號(hào)往復(fù)經(jīng)歷的時(shí)間為t,地球的半徑為r，月球的半徑為r,月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為t，試求地球的質(zhì)量.參考答案：1.7.911.2 16.7 2.bc3.cd4.d5.ab6.(1) （）7.六、板書設(shè)計(jì) 七、素質(zhì)能力訓(xùn)練1.具有第一宇宙速度的人造地球衛(wèi)星的周期是秒，要想發(fā)射一顆周期為

13、80分鐘的人造地球衛(wèi)星可能嗎？2.關(guān)于人造地球衛(wèi)星，下列說法正確的是（已知地球半徑6400 km）a.運(yùn)行的軌道半徑越大，線速度也越大b.運(yùn)行的速率可能等于8km/sc.運(yùn)行的軌道半徑越大，周期也越大d.運(yùn)行的周期可能等于80min3.假設(shè)同步衛(wèi)星的軌道半徑是地球軌道半徑的n倍，則a.同步衛(wèi)星的向心加速度是赤道上物體向心加速度的（n+1）倍b.同步衛(wèi)星的向心加速度是赤道上物體向心加速度的n倍c.同步衛(wèi)星的向心加速度是赤道上物體加速度的倍d.同步衛(wèi)星的向心加速度是赤道上物體重力加速度的n倍4.兩顆人造衛(wèi)星a和b的質(zhì)量之比為12，它們的軌道半徑之比為31，某時(shí)刻它們恰好與地球在同一條直線上，可知兩

14、顆衛(wèi)星的a.線速度之比vavb=13b.向心加速度之比aaab=13c.向心力之比fafb=118d.周期之比tatb=315.宇宙飛船進(jìn)入一個(gè)圍繞太陽運(yùn)行的近似圓形的軌道上運(yùn)動(dòng)，設(shè)地球繞太陽運(yùn)行的周期為a,如果軌道半徑是地球軌道半徑的9倍，則宇宙飛船繞太陽運(yùn)行的周期是a.3ab.9ac.27ad.81a6.我國在1984年4月8日成功發(fā)射了一顆試驗(yàn)通訊衛(wèi)星.1986年2月1日又成功地發(fā)射了一顆實(shí)用通訊衛(wèi)星.這兩顆衛(wèi)星都是地球同步衛(wèi)星，設(shè)這二顆衛(wèi)星運(yùn)行周期之比,軌道半徑比，角速度之比.向心加速度之比,則a.a=b=c=d=1b.a=b=1;c=d=2c.a=b=2;c=d=1d.a=b=c=d

15、=2參考答案：1.5075;不可能2.c3.b4.c5.c6.a資料十六：關(guān)于黑洞的幾個(gè)問題浩瀚的宇宙高深莫測(cè)，無奇不有，其中最神秘的莫過于黑洞，不管是什么東西，一旦進(jìn)入它的勢(shì)力范圍，都會(huì)被吞吃掉，那么黑洞為什么有如此神奇的魔力呢？要說明這個(gè)問題，必須從引力談起，如果想從太陽表面發(fā)射宇宙飛船，飛船的速度至少要達(dá)到618km/s,才能掙脫太陽的引力，飛向另一顆恒星.如果太陽的半徑從現(xiàn)在的70 萬km收縮到了3km,太陽就變成一顆超高密度的天體.雖然其質(zhì)量不變，仍為兩千億億億噸，但其半徑卻縮小了20多萬倍，此時(shí)30萬km/s的光線也無法從太陽表面射出，這樣，太陽就變成了一個(gè)黑洞.宇宙中不僅有幾個(gè)太

16、陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，還有更大的黑洞，整個(gè)銀河系有著1000多億顆恒星，它們是太陽的兄弟姐妹，天文學(xué)家推測(cè)在銀河系的中心有一個(gè)大黑洞，質(zhì)量為太陽的300萬倍，這個(gè)大黑洞還不算宇宙中的巨洞，我們知道：在銀河系以外還有上億個(gè)銀河系的“兄弟姐妹”，它們被稱為星系，在其它星系中還會(huì)有巨大的黑洞.除了巨型黑洞外，還有微型黑洞，它只有一萬億分之一毫米，相當(dāng)于最小的氫原子中的原子核大小，連電子顯微鏡也無法找到，然而它卻比一座大山還重.1.尋找黑洞連光線也沒本事從黑洞中逃出來，那么天文學(xué)家怎么在茫茫的太空中去“捕捉”這種身穿隱身衣的“怪物”呢？天文學(xué)家想出一個(gè)巧妙的辦法，那就是在黑洞“伸出黑手”去捕捉和吞食其他

17、星星時(shí)，從黑洞四周的蜘絲馬跡中抓住這雙黑手，從而捕捉住這種怪物.1994年，美國天文學(xué)家用哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了名為m87的星系，在這個(gè)星系中心發(fā)現(xiàn)一個(gè)盤狀物質(zhì)，其旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)160萬km/s,盤中心的范圍相當(dāng)小，從盤的旋轉(zhuǎn)速度可以推出中心的引力和質(zhì)量，其質(zhì)量為太陽質(zhì)量的30億倍，在如此小的范圍內(nèi)有這樣大的質(zhì)量，惟一的解釋只能是黑洞，進(jìn)一步的研究表明，這個(gè)宇宙巨獸已吞食了20億顆相當(dāng)于太陽質(zhì)量的恒星.哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)圖象表明：黑洞和星系可能是同時(shí)形成的，其后，黑洞不斷吞食星系中心的恒星與其他宇宙物質(zhì)，而變成更大的黑洞.2.1994年，由德國馬普學(xué)會(huì)下屬的阿爾伯特·愛因斯坦研究所和美國華

18、盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的小組，首先借助美超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬出了小黑洞接近大黑洞發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)大引力波的特征波形，他們發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分別為太陽15倍和10倍的兩個(gè)黑洞相撞時(shí)，產(chǎn)生的能量將比太陽過去50億年來產(chǎn)生的能量總和還要多出數(shù)千倍.宇宙中的引力波，被形象地比喻為“宇宙纖維上的波紋”，引力波是以波動(dòng)形式和有限速度傳播的引力場(chǎng)，黑洞碰撞是引力波主要來源之一，黑洞是一種極其致密的天體，其巨大引力使光也無法逃逸，科學(xué)家認(rèn)為，引力波可為研究黑洞打開一扇“窗口”.用超級(jí)計(jì)算機(jī)事先模擬出黑洞碰撞產(chǎn)生引力波的特征波形，不僅能指導(dǎo)實(shí)際觀測(cè)，還可用來對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)判斷，專家認(rèn)為：超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬黑洞碰撞等新型研究，有可能推動(dòng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)進(jìn)入一個(gè)新發(fā)展階段.3.1999年9月，天文學(xué)家對(duì)黑洞的搜尋又取得了新的突破，美國的科學(xué)家借助于1998年發(fā)射的“錢德拉”x射線探測(cè)衛(wèi)星，在名為m82的星系中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于500個(gè)太陽的中型黑洞，這樣大的新型黑洞還是首次發(fā)現(xiàn)，過去人類發(fā)現(xiàn)的黑洞不是很小，就是異常大.黑洞有極強(qiáng)的引力，會(huì)吞食周圍大量的宇宙物質(zhì)，包括氣體、