高中物理人教版第六章萬有引力與航天【全國一等獎】

宇宙航行經(jīng)典力學(xué)的局限性一、三維目標(biāo)知識與技能1．了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識。2．知道三個宇宙速度的含義，會推導(dǎo)第一宇宙速度。3．理解衛(wèi)星的運行速度與軌道半徑的關(guān)系。4．了解經(jīng)典力學(xué)的適用范圍，知道非經(jīng)典力學(xué)的觀念和知識。過程與方法1．通過萬有引力定律推導(dǎo)第一宇宙速度，培養(yǎng)學(xué)生運用知識解決問題的能力。情感態(tài)度與價值觀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。二、教學(xué)重點第一宇宙速度的推導(dǎo)。三、教學(xué)難點運行速率與軌道半徑之間的關(guān)系。四、教學(xué)過程（一）、第一宇宙速度【教師活動】牛頓在思考萬有引力定律時就曾想過，從高山上水平拋出物體，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠，所在區(qū)域也就不能再看成平面，而是圓弧形。當(dāng)速度增大到某一值時，物體就會繞地球做圓周運動，成為一顆衛(wèi)星，不再落回地面。我們能否來推導(dǎo)出這一速度是多少？方法一：設(shè)地球的質(zhì)量為M，繞地球做勻速圓周運動的衛(wèi)星的質(zhì)量為m，速度為v，衛(wèi)星到地心的距離為r。由向心力由地球的萬有引力提供，所以由此解出近地衛(wèi)星在100Km左右的高度飛行，與地球半徑6400Km相比小得多，軌道半徑與地球半徑可以忽略不計，則把地球質(zhì)量和半徑代入可計算出v＝s。方法二、在地面附近，重力等于萬有引力，提供衛(wèi)星做勻速圓周運動的向心力，能否推導(dǎo)出這一速度？【學(xué)生活動】推導(dǎo)這一速度的另一個表達形式由＝s【教師活動】討論：1、當(dāng)衛(wèi)星距地心的距離越遠，由可知它運動的速度越慢。所以s是人造衛(wèi)星環(huán)繞地球的最大運動速度，叫第一宇宙速度，也叫環(huán)繞速度。2、將人造衛(wèi)星送入預(yù)定的軌道運行所必須具有的速度叫發(fā)射速度。發(fā)射過程中能量如何變化？克服地球引力做功，衛(wèi)星離地面越高，所需要的發(fā)射速度越大。第一宇宙速度是最小的發(fā)射速度。例1、關(guān)于第一宇宙速度，下面說法中錯誤的是[]A．它是人造地球衛(wèi)星繞地飛行的最小速度B．它是人造地球衛(wèi)星在近地圓形軌道上的運行速度C．它是能使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D．從人造衛(wèi)星環(huán)繞地球的速度v＝可知，把衛(wèi)星發(fā)射到越遠的地方越容易例2、有兩個人造地球衛(wèi)星質(zhì)量之比為m1∶m2=1∶2，都繞地球做勻速圓周運動，已知它們的軌道半徑之比r1∶r2＝4∶1，則這兩個衛(wèi)星的線速度之比為；角速度之比為；運動周期之比為；向心加速度之比為；向心力之比為．例3、人造地球衛(wèi)星運行中由于受大氣阻力，軌道半徑逐漸減小，則線速度和周期變化情況是[]A．速度減小，周期增大B．速度減小，周期減小C．速度增大，周期增大D．速度增大，周期減小若發(fā)射速度大于7.9Km/s衛(wèi)星將在橢圓軌道上運動，根據(jù)不同的需要可以用不同的發(fā)射速度讓衛(wèi)星在不同的軌道上運動。（二）、第二宇宙速度【教師活動】若發(fā)射速度增大，則軌道半徑將增大，引力減小，最終將脫離地球的引力。當(dāng)發(fā)射速度等于或大于s時，它就會克服地球引力成為繞太陽運轉(zhuǎn)的人造行星或飛到其他行星上去。把s叫第二宇宙速度也叫脫離速度。（三）、第三宇宙速度【教師活動】若發(fā)射速度再增大到s時，它就可以脫離太陽的引力范圍，飛到太陽系以外的宇宙空間。把s叫第三宇宙速度也叫逃逸速度。（四）、介紹同步衛(wèi)星，通訊衛(wèi)星【教師活動】所謂地球同步，是相對于地面靜止的，和地球具有相同周期的衛(wèi)星，T＝24h同步衛(wèi)星必位于赤道上方距地面高h處，且h是一定的。同步衛(wèi)星也叫通訊衛(wèi)星。請同學(xué)們自己計算同步衛(wèi)星距地面的高度h?！緦W(xué)生活動】由GEQ\f(Mm,(R+h)2)=mω2(R+h)=m(EQ\f(2π,T))2(R+h)得h＝EQ\r(3,EQ\f(GMT2,4π2))-R（T為地球的自轉(zhuǎn)周期，M、R分別為地球質(zhì)量和半徑）代入數(shù)據(jù)得h＝×107m【教師活動】點評小結(jié)：由此可見要發(fā)射地球同步衛(wèi)星，必須同時滿足三個條件：（1）衛(wèi)星運動周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同。（2）衛(wèi)星運行軌道在地球的赤道平面內(nèi)。（3）衛(wèi)星距地面高度有確定值。例4、關(guān)于我國發(fā)射的“亞洲一號”地球同步通訊衛(wèi)星的說法，正確的是[]A．若其質(zhì)量加倍，則軌道半徑也要加倍B．它在北京上空運行，故可用于我國的電視廣播C．它以第一宇宙速度運行D．它運行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同（五）、人類航天飛行技術(shù)的發(fā)展【教師活動】閱讀課本P75面的內(nèi)容，談?wù)勀闼私獾娜祟惡教祜w行技術(shù)的發(fā)展【學(xué)生活動】閱讀，討論，發(fā)言【教師活動】點評五、板書設(shè)計一、第一宇宙速度（環(huán)繞速度）＝EQ\r(,gr)=s二、第二宇宙速度（脫離速度）v=s三、第三宇宙速度（逃逸速度）v=16.7Km/s四、同步衛(wèi)星，通訊衛(wèi)星