第六章萬(wàn)有引力定律五、人造衛(wèi)星宇宙速度

1、第六章萬(wàn)有引力定律（五、人造衛(wèi)星宇宙速度）第六章萬(wàn)有引力定律（五、人造衛(wèi)星宇宙速度）教學(xué)目的:1 了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)2 掌握第一宇宙速度的推導(dǎo)。了解第二、第三宇宙速度的意義。教學(xué)重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)教學(xué)難點(diǎn)：發(fā)射速度與環(huán)繞速度的區(qū)別教學(xué)方法:啟發(fā)、講授教學(xué)過程：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呱缴蠏伋觯鼈冊(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

2、。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(lái)，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。0年4月24日,我國(guó)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星到現(xiàn)在我國(guó)已發(fā)射了多顆人造地球衛(wèi)星。1975年,我國(guó)就掌握了使衛(wèi)星返回地面的回收技術(shù),成為世界上第三個(gè)掌握這種先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家。1984年4月8日,我國(guó)發(fā)射了一顆試驗(yàn)通

3、訊衛(wèi)星,把衛(wèi)星準(zhǔn)確地運(yùn)送到指定位置的同步軌道上。這是一個(gè)難度非常大的多維控制問題.同步衛(wèi)星的定點(diǎn)成功,標(biāo)志著我國(guó)在運(yùn)載火箭和衛(wèi)星技術(shù)方面已加入世界先進(jìn)行列。近幾年,我國(guó)一直利用火箭為其它國(guó)家發(fā)射衛(wèi)星。這節(jié)課我們來(lái)學(xué)習(xí)人造地球衛(wèi)星的基本知識(shí)。2 人造衛(wèi)星的分類a軌道分類：同步衛(wèi)星、極地衛(wèi)星、任一軌道衛(wèi)星。b用途分類：通訊衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等等。3 同步衛(wèi)星1軌道；一定在赤道上空。2必須有一定的高度、周期、線速度、角速度。（為什么？）3 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(lái)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)。

4、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(wàn)有引力來(lái)提供。 據(jù)上述關(guān)系你能得到什么表達(dá)式？學(xué)生：=mr 所以我們得到，T=2ji教師：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（環(huán)繞速度）和運(yùn)行周期表達(dá)式。2 .討論v、T與r之間的關(guān)系：學(xué)生：由于GM定，r越小，線速度v越大，反之，r越大，v越小.即：rvj同理：rTf,對(duì)于人造衛(wèi)星v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?/p>

5、引力做更多的功。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則或者：mg=mv/rv=7.9km/s教師：這個(gè)速度就是人造衛(wèi)星在地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：(1) 是發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入最低軌道所必須具有的最小速度。(2) 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

6、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11.2km/s,它繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡就不是圓形，而是橢圓。當(dāng)衛(wèi)星從地面飛出時(shí)的速度大于或等于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，為太陽(yáng)的行星這個(gè)速度叫做第二宇宙速度，也叫脫離速度。 當(dāng)衛(wèi)星從地面上飛出時(shí)的速度大于或等于16.7km/s,則能脫離太陽(yáng)的束縛，進(jìn)入太陽(yáng)系以外的宇宙空間中去，這個(gè)速度叫做第三宇宙速度，也叫逃逸速度。（二）地球同步衛(wèi)星下面我們?cè)賮?lái)研究一種衛(wèi)星一一同步通信衛(wèi)星。這種衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的角速度與地球自轉(zhuǎn)的速度相同，所以從地面上

7、看，它總在某地的正上方，因此叫同步衛(wèi)星。這種衛(wèi)星一般用于通訊，又叫同步通訊衛(wèi)星。我們平時(shí)看電視實(shí)況轉(zhuǎn)播時(shí)總聽到解說員所說的太平洋上空或印度洋上空的衛(wèi)星都是通訊衛(wèi)星，在北京上空有沒有同步衛(wèi)星呢？同步衛(wèi)星有何特點(diǎn)呢？若在北緯或南緯某地上空真有一顆同步衛(wèi)星，那么這顆衛(wèi)星軌道平面的中心應(yīng)是地軸上的某點(diǎn)，而不是地心，其需要的向心力也指向這一點(diǎn)。而地球所能夠提供的引力只能指向地心，所以北緯或南緯某地上空是不可能有同步衛(wèi)星的。另外由于同步衛(wèi)星的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，所以此衛(wèi)星離地球的距離只能是一個(gè)定值。換句話說，所有地球的同步衛(wèi)星只能分布在赤道正上方的一條圓弧上，而為了衛(wèi)星之間不相互干擾，大約3度角左右才

8、能放置一顆衛(wèi)星，地球的同步通訊衛(wèi)星只能有120顆?？梢?，空間位置也是一種資源。(讓學(xué)生推導(dǎo)同步衛(wèi)星的高度)。同步通訊衛(wèi)星的特點(diǎn)：1在赤道平面內(nèi)。2與地球自轉(zhuǎn)方向相同。3高度一定。值得說明的是：衛(wèi)星在發(fā)射的過程中處于超重狀態(tài)，和在升降機(jī)中相同。衛(wèi)星進(jìn)入軌道，在正常運(yùn)行的過程中，衛(wèi)星中的物體處于完全失重狀態(tài)，凡是工作原理與重力有關(guān)的儀器(天平，水銀氣壓計(jì))在衛(wèi)星中都不能正常使用，凡是與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)都無(wú)法進(jìn)行。地球同步衛(wèi)星是指運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，與地球同步轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)于地面上某一點(diǎn)始終保持靜止的人造衛(wèi)星。有一下特點(diǎn)：(1) 周期、角速度與地球相同，即T=24h(2) 軌道確定。因?yàn)?、T與地

9、球相同，又在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所以只能在赤道面上與地球自轉(zhuǎn)同步，所有地球同步衛(wèi)星的軌道均在赤道平面內(nèi)，且離地面的高度和環(huán)繞速度相同。三 鞏固練習(xí)1發(fā)射一個(gè)用來(lái)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？(h=-R=3.59x104km)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？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(CD)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.關(guān)于第一宇宙速度，下面說法正確的是(BC)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5某行星的衛(wèi)星，在靠近行星的軌道上飛行，若要計(jì)算行星的密度，需要測(cè)出的物理量是(D)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6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(AB)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(wàn)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