高中物理教案：《人造卫星的宇宙速度》教学设计教学目标知识目标：1、通过对行星绕恒星运动和卫星绕行星运动的研究，学生初步掌握研究此类问题的基本方法：万有引力作为圆周运动的向心力；2、学生对人造卫星的发射和运行有初步的了解，使大多数学生在头脑中建立起比较正确的画卷；能力目标通过学习万有引力定律在天文学中的应用，通过了解世界和我国航天事业的发展，了解世界上第一颗人造卫星、第一艘宇宙飞船、第一位宇航员，了解我国神舟一号、神舟二号、神舟三号卫星的发射和回收，能增强学生的爱国热情。情感目标：通过学习万有引力定律在天文学中的应用，让学生真切感受到能运用所学的物理知识解决天体问题和实际问题，提升学生学习物理的积极性。 教学建议：在本节教学过程中，在强化万有引力定律应用的同时，还应关注卫星发射过程，请注意以下几个问题。 1.天体运动与人造卫星运动模型 2.地球同步卫星 3.卫星速度与轨道 卫星从发射到正常运行的连续过程，一般可以分为几个阶段，每个阶段对应不同的轨道。比如发射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等。有些卫星并不是直接发射到运行轨道，而是需要多次变轨，比如地球同步卫星先发射到地球附近的圆形轨道，然后变椭圆形的转移轨道，最后在椭圆轨道的远地点变同步轨道。因此发射过程需要多级火箭推进。 教学设计方案 教学重点：万有引力定律的应用 教学难点：人造卫星的发射 教学方式：讨论法 教具：多媒体与计算机 教学过程： 一、人造卫星运动的问题： 1、地球绕太阳转做什么样的运动？ 答：粗略地可以看作匀速圆周运动。 2、向心力是谁提供的？ 答：地球和太阳之间的万有引力。 3、人造卫星绕地球转做什么样的运动？ 答：粗略地可以看作匀速圆周运动。 4、向心力是谁提供的？ 答：卫星与地球之间的万有引力。 让学生思考并讨论以下问题： 例1、根据观测，土星周围有一个不清晰的光环，试运用力学的方法判断土星的光环是与土星相连的连续的物体，还是一群围绕土星运行的小卫星？让学生提出自己的解决办法，并加以说明： 1.如果是连续的物体，那么：这些物体做匀速圆周运动的线速度和半径成正比， 2.如果是卫星，那么：这些物体做匀速圆周运动的线速度和半径的平方根成反比，这个问题让学生充分讨论。 2.人造卫星的发射： 1.用什么发射卫星？ 答：三级火箭 2.火箭是怎么发射卫星的？ 学生可以讨论贝语网校，发表自己的看法。 下面看一道题： 例2.1999年11月21日，我国“神舟”号飞船发射成功并回收，这是我国航天史上的一个重要里程碑。新型“长征”运载火箭把8.4吨重的航天器送入低地球轨道1。航天器与火箭分离后，在轨道1上以7.2km/s的速度绕地球做匀速圆周运动。试回答以下问题：（1）根据课文内容和例题（2）（3）（4）画出示意图。 （2）轨道1距离地面的高度约为：A，B，C，D。 解：根据万有引力定律可得： 解： = 所以答案为（B）（3） 航天器在轨道1运行数周后，启动点发动机，短暂地向外喷出高速气体，使航天器加速。关闭发动机后，飞船沿椭圆轨道2运行，当到达点时，再次启动发动机，使飞船加速，使飞船的速度满足圆形轨道3的要求，进入轨道3后，绕地球做圆周运动。用同样的方法，使飞船离地球越来越远。 飞船在轨道2上从一点移动到另一点，其速度会怎样变化？ 解：根据万有引力定律可得： 解：因此，飞船在轨道2上从一点移动到另一点时，其速度会减小。 （4）当飞船在轨道1、2、3上正常运行时： ① 飞船在轨道1上的速度和飞船在轨道3上的速度哪一个更大？为什么？ 答：轨道1上的速度更大。 ② 轨道1上点的加速度和轨道2上点的加速度哪一个更大？为什么？ 答：是一样的。 ③ 轨道1上点的加速度和轨道3上点的加速度哪个更大？为什么？ 答：轨道1上的加速度更大。 收集信息以进行探索活动。
组织学生撰写相关论文。 1、从世界第一颗人造卫星到我国第一颗人造卫星的历史过程。 2、目前我国天空中飞行着多少颗人造卫星，它们的周期是怎样的。 扩展阅读教学目标 知识目标： 1、通过对行星绕恒星运动、卫星绕行星运动的研究，学生初步掌握研究此类问题的基本方法：万有引力作为圆周运动的向心力； 2、学生对人造卫星的发射和运行有初步的了解，使大多数学生在头脑中建立起比较正确的画面； 能力目标 通过学习万有引力定律在天文学中的应用，通过了解世界和我国航天事业的发展，了解世界上第一颗人造卫星、第一艘宇宙飞船、第一位宇航员，了解我国神舟一号、神舟二号、神舟三号的发射和回收，增强学生的爱国热情。情感目标：通过学习万有引力定律在天文学中的应用，让学生真切感受到所学的物理知识能解决天体问题和实际问题，提升学生学习物理的积极性。 教学建议：在本节教学过程中，在强化万有引力定律应用的同时，还应关注卫星发射过程，请注意以下几个问题。 1.天体运动与人造卫星运动模型 2.地球同步卫星 3.卫星运行速度与轨道 卫星从发射到正常运行的连续过程，一般可以分为几个阶段，每个阶段对应不同的轨道。比如发射轨道、转移轨道、运行轨道、同步轨道、返回轨道等。有些卫星的发射并不是直接到达运行轨道，而是需要经过多次变轨，例如地球同步卫星先发射到地球附近的圆形轨道，然后变椭圆形的转移轨道，最后在椭圆轨道的远地点变同步轨道。因此发射过程需要多级火箭推进。 --方案 教学重点：万有引力定律的应用 教学难点：人造卫星的发射 教学方式：讨论法 教具：多媒体与计算机 教学过程： 一、人造卫星运动的问题： 1、地球绕太阳转做什么样的运动？ 答：近似匀速圆周运动。 2、向心力是谁提供的？ 答：地球与太阳之间的万有引力。 3、人造卫星绕地球转做什么样的运动？ 答：近似匀速圆周运动。 4、向心力是谁提供的？ 答：卫星与地球之间的万有引力。 让学生思考并讨论以下问题： 例1、根据观察，土星周围有一个模糊的光环，试运用力学的方法，判断土星的光环是与土星相连的连续的物体还是一群围绕土星运行的小卫星？让学生提出自己的解决办法，并加以说明： 1.如果是连续的物体，那么：这些物体做匀速圆周运动的线速度和半径成正比。 2.如果是人造卫星，那么：这些物体做匀速圆周运动的线速度和半径的平方根成反比。 这个问题可以让学生充分讨论。 2.人造卫星的发射： 1.用什么发射卫星？ 答：三级火箭 2.卫星是如何用火箭发射上太空的？ 学生可以讨论，发表自己的看法。 我们来看下面一道题： 例2.1999年11月21日，我国“神舟”号飞船发射成功并回收，这是我国航天史上的一个重要里程碑。新型“长征”号运载火箭把8.4吨重的航天器送入低地球轨道1，航天器与火箭分离后，在轨道1以7.2km/s的速度绕地球作匀速圆周运动。试回答以下问题： (1)结合课文内容和例题（2）（3）（4），画出示意图。 (2) 轨道1距地面的高度约为： A,,,,, 解：根据万有引力定律可得： 解： = 所以正确答案为（B）（3） 航天器在轨道1运行数周后，在点处启动发动机，短暂地向外喷出高速气体，使航天器加速。关闭发动机后，航天器沿椭圆轨道2运行，运行到点后再次启动发动机，对航天器进行加速，使航天器的速度满足圆形轨道3的要求。进入轨道3后，绕地球做圆周运动，按照同样的方法，航天器离地球越来越远。航天器在轨道2上从一点移动到另一点，速度会怎样变化？ 解：根据万有引力定律可得： 解：因此，航天器在轨道2上从一点移动到另一点，速度会减小。 （4）航天器在轨道1、2、3正常运行时： ① 航天器在轨道1上的速度和航天器在轨道3上的速度哪个大？为什么？ 答：轨道1上的速度大。 ② 航天器通过轨道1上某点的加速度和航天器通过轨道2上某点的加速度哪个大？为什么？ 答：一样。航天器通过轨道1点的加速度和航天器通过轨道3点的加速度哪个大？为什么？ 答：轨道1的加速度大。 为探索活动收集信息。
组织学生写相关论文。 1、从世界第一颗人造卫星到我国第一颗人造卫星的历史过程。 2、目前我国天上飞行着多少颗人造卫星以及它们的周期。 教学目标： 1、了解人造卫星的有关知识 2、通过讲解和举例，让学生掌握第一宇宙速度的推导。 了解第二、第三宇宙速度的意义。 重点：第一宇宙速度的推导。 教学方法：启发式教学。 教学过程： 1、组织教学： 2、引入新课： 1970年4月24日，我国发射了第一颗人造地球卫星，迄今为止，我国已发射了多颗人造地球卫星。1975年，我国掌握了将卫星返回地面的回收技术，成为世界上第三个掌握这一先进技术的国家。 1984年4月8日，我国发射了一颗实验通讯卫星，把卫星准确地运送到同步轨道指定位置高中物理低轨道极地卫星，这是一个非常困难的多维控制问题，同步卫星的成功定位标志着我国加入了世界先进运载火箭和卫星技术的行列，近年来，我国一直用火箭为其他国家发射卫星。在这节课中，我们将学习人造卫星的基本知识。三、讲授新课：1、牛顿的人造卫星概念：如果在地面上方有一个物体，相对于地面静止，只受重力的作用，那么它做自由落体运动。如果物体在空中有一定的初速度，初速度的方向垂直于重力方向，那么它做水平抛射运动。牛顿曾经设想，如果一个物体以不同的水平速度从高山上抛下，每次的速度都会更大，每次落地点都会更远。如果忽略空气阻力，当速度足够大时，物体绝不会落到地面高中物理低轨道极地卫星，而是围绕地球旋转，成为人造卫星。 2、宇宙速度： （1）第一宇宙速度： 问：当物体的速度达到一定数值时，物体在重力作用下并不会落到地面，而是围绕地球做圆周运动，成为人造卫星？ 答：由于人造卫星是在空中运动，所以只受地球万有引力的影响，此时是卫星做匀速圆周运动所需要的向心力，即： GMm/r2=mV2/r∴V=（GM/r）1/2 从上式可知，r越大，即卫星距离地面越高，其绕地球运动的速度V越小。对于靠近地面运动的卫星，可以认为r近似等于地球半径R，地球对物体的引力近似等于卫星重力mg，则： V=（gR）1/2将g=0./s2和R=代入上式，可得： V=7.9km/s这就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须的速度，称为第一宇宙速度。 它也叫轨道速度。 注：1）为最小发射速度和最大轨道速度2）所有轨道的中心都在地心。 （2）第二宇宙速度：如果人造卫星进入轨道的水平速度大于7.9km/s、小于11.2km/s，它绕地球运行的轨道将不是圆形，而是椭圆形。当卫星的速度等于或者大于11.2km/s时，卫星就能摆脱地球的引力，成为绕太阳运行的人造行星，或者飞向其他星球。因此，11.2km/s的速度被称为第二宇宙速度，也叫逃逸速度。解释：是卫星脱离地球的最小发射速度。 （3）第三宇宙速度：达到第二宇宙速度的卫星，仍然受太阳的束缚，要想摆脱太阳，飞向太阳系外的太空，速度必须大于16.7km/s，这个速度被称为第三宇宙速度，也叫逃逸速度，是摆脱太阳的最小发射速度。
3、人造卫星中的超重与失重：人造卫星中人和物体都处于完全失重状态。 4、人造卫星的应用：（详见书上） 四、总结巩固练习： 例1、在圆形轨道上运行的人造地球卫星，当轨道半径为r时，它的线速度为V。 问：当卫星的轨道半径增大到2r时，它的线速度为多少级？ 例2、同步卫星的运行周期与地球自转周期相同，由于卫星与地球同步运动，从地面看，卫星好比静止在天空某一处。 问：这颗卫星的海拔高度是多少？ 例3、宇宙中一颗行星的半径是地球的两倍，行星的质量是地球的两倍，如果在这个行星上发射一颗卫星，并让它围绕行星运行，那么卫星发射到行星附近的轨道上所需的最小速度是多少？五、作业安排： 1、书面作业： 2、作业： 第六章万有引力定律（五、人造卫星的宇宙速度） 教学目标： 1、了解人造卫星的有关知识 2、掌握第一宇宙速度的推导。 理解第二、第三宇宙速度的意义。 教学重点：第一宇宙速度的推导 教学难点：发射速度与轨道速度的区别 教学方式：启发式、讲授式 教学过程： 一、引入新课 1、问题：如果从高山上抛出一个物体，它们的水平初速度不同，忽略空气阻力，它们会落在同一点吗？ 学生：它们落到不同的点，速度越大，落地点离山脚越远，因为它们是从同一座高山上抛出的，所以在空中停留的时间相同，速度越大，水平位移越大，所以落地点也越远。
师：假设抛出的物体的速度足够大，物体的运动会发生什么变化？学生进行猜测。教师总结并用多媒体进行模拟。如果地面上方有一个物体，相对于地面静止不动，只受重力作用，那么它就做自由落体运动。如果物体在空中有一定的初速度，初速度的方向垂直于重力方向，那么它就做水平抛射运动。牛顿曾经设想过：从高山上抛出一个物体，水平速度不同，每次速度都较大，每次落地点距离山脚都较远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落地，它会围绕地球旋转，成为绕地球运行的人造卫星，简称人造卫星。1970年4月24日，我国发射了第一颗人造卫星，至今已发射多颗人造卫星。 1975年我国掌握了返回卫星地面的回收技术，成为世界上第三个掌握这一先进技术的国家。1984年4月8日，我国发射了一颗实验通信卫星，并把卫星准确地运送到同步轨道指定位置，这是一个非常困难的多维控制问题。同步卫星的成功定位，标志着我国在运载火箭和卫星技术上已跻身世界先进行列。近年来，我国一直用火箭为其他国家发射卫星。这堂课，我们将学习人造卫星的基本知识。二、人造卫星的分类a.轨道分类：同步卫星、极地卫星、任意轨道卫星。
b.按用途分类：通讯卫星、军用卫星、气象卫星等。 三.同步卫星 1.运行轨道；必须在赤道以上。 2.必须有一定的高度、周期、线速度和角速度。（为什么？） 三.引言：那么人造卫星的轨道半径和它的运动速度有什么关系呢？这节课，我们就来学习这个问题。 二.新课教学 （一）宇宙速度 1.设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运行。 ① 师：使卫星绕地球运行的向心力是什么力提供的？ 生：是由卫星所受的地球万有引力提供的。 ②根据上述关系，能得出什么表达式？ 生：=mr③于是得，T=2л 师：式中，M为地球质量，G为万有引力常数，r为卫星轨道半径。此式就是卫星绕地球正常轨道的线速度（轨道速度）与运行周期表达式。 2、讨论v、T与r的关系： 生：由于GM为常数，所以r越小，线速度v越大，反之，r越大，v越小。 即：r↑→v↓ 同理：r↑→T↑，对于人造卫星vmax=7.9km/s，Tmin=84.4min 师：由此可知：卫星距离地面越高，速度越慢。 那么，发射卫星到高轨道困难还是低轨道困难？ 生：发射卫星到高轨道比发射到低轨道困难，因为要把卫星发射到高轨道，火箭要做更多的功来克服地球引力。 3、对于靠近地面运行的人造卫星，解其绕地球运行的速度对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r约等于地球半径R，则要么： mg=mv2/rv==7.9km/s 老师：这个速度就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须的速度，这个速度叫第一宇宙速度。
4、讨论： ①第一宇宙速度是卫星绕地球运行的最大速度，为什么？ ②为什么第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度？ 经过学生讨论，教师总结： 第一宇宙速度v=7.9公里/秒，可以理解为： （1）是发射卫星进入最低轨道所需的最小速度。 （2）是卫星进入轨道并正常运行的最大轨道速度，即所有卫星的轨道速度都小于7.9公里/秒。 过渡：如果卫星进入地面的轨道速度大于7.9公里/秒，那么此时卫星的轨道会发生什么变化？ 5、教师讲解并运用多媒体模拟： ①当人造卫星进入地面的轨道速度大于7.9公里/秒并小于11.2公里/秒时，其绕地球运行的轨迹不是圆形，而是椭圆形。 ②当卫星飞出地面的速度大于等于11.2公里/秒时，卫星就摆脱了地球引力，不再绕地球运行，成为太阳的行星，这个速度叫第二宇宙速度，也叫逃逸速度。 ③当卫星飞出地面的速度大于等于16.7公里/秒时，就可以摆脱太阳的束缚，进入太阳系外太空，这个速度叫第三宇宙速度，也叫逃逸速度。 （二）地球同步卫星 接下来我们来研究另外一类卫星——同步通信卫星。这种卫星绕地球运动的角速度和地球自转的速度相同，所以从地面看，它始终在某一地点的正上方，所以叫同步卫星。这种卫星一般用于通信，也叫同步通信卫星。
我们看电视直播的时候，总是听到解说员说太平洋或者印度洋上空的卫星是通讯卫星，那北京上空有同步卫星吗？同步卫星有什么特点呢？如果在北纬或者南纬的某处上空有一颗同步卫星，那么这颗卫星的轨道平面中心应该是地球轴上的一点，而不是地心，它所需要的向心力也应该指向这一点。而地球所能提供的引力只能指向地心，所以同步卫星是不可能在北纬或者南纬的某处上空的。另外，由于同步卫星的周期和地球自转的周期相同，所以这颗卫星离地球的距离只能是一个定值。也就是说，地球上所有的同步卫星只能分布在赤道正上方的一个弧线上，而且为了防止卫星之间互相干扰，一颗卫星只能以3度左右的角度摆放。地球上同步通信卫星只有120颗。可见空间位置也是一种资源。（让学生推导出同步卫星的高度）。同步通信卫星的特点：1.在赤道平面上。2.与地球自转方向一致。3.高度恒定。值得注意的是，卫星在发射过程中，就像在电梯里一样，处于超重状态。当卫星进入轨道并正常运行时，卫星内的物体处于完全失重状态。一切工作原理与重力有关的仪器（天平、水银气压计）都无法在卫星内正常使用，一切与重力有关的实验也无法进行。地球同步卫星是一种运行周期与地球自转周期相同，与地球同步旋转，并相对于地面某一点始终保持静止的人造卫星。
它有以下特点： （1）周期和角速度与地球相同，即T=24h （2）轨道固定，因ω、T与地球相同，又做匀速圆周运动，所以只能与地球在赤道平面上自转同步。所有地球同步卫星的轨道都在赤道平面上，其距地面高度和轨道速度相同。 三、巩固练习 1、发射一颗广播电视节目的同步卫星，要求卫星与地面相对静止，已知地球半径，应把卫星发射到多少高度？（h=-R=3.59χ104km） 2、宇航员坐在人造卫星里，请解释为什么卫星发射过程中人会感到超重？为什么卫星绕地球做匀速圆周运动时会出现完全失重的状态？ 3、在绕地球运行的航天器的实验舱内，下列哪些实验可以正常进行？（CD） A.用天平称量物体的质量 B.用弹簧秤称量物体的重力 C.给闹钟上的发条上紧 D.用温度计测量宇航员的体温 4、关于第一宇宙速度，下列说法正确的是（BC） A.是人造卫星绕地球运行的最小速度 B.是人造卫星在近地圆轨道上运行的速度 C.是卫星进入近地圆轨道的最小发射速度 D.是卫星在椭圆轨道运行时的近地点速度 5、某行星的卫星在靠近该行星的轨道上飞行。假如要计算行星的密度，需要测量的物理量是（D） A.行星的半径 B.卫星的半径 C.卫星的线速度 D.卫星的周期 6.下列关于人造卫星与航天器的说法中，正确的是（AB） A.如果知道人造卫星的轨道半径和周期，再利用万有引力常数，就可以算出地球的质量 B.两颗人造卫星，只要它们的轨道速度相等，不管它们的质量和形状如何不同，它们的轨道半径和轨道周期一定相同 C.原来，在同一轨道、同一方向运转的两颗人造卫星，一个在前，后一颗卫星要想追上前一颗卫星并与之相撞，只要增加后一颗卫星的速度就可以了。 D.一艘环绕火星飞行的航天器，宇航员们缓缓走出舱室，离开航天器。航天器的质量减少了，其收到的引力降低了，因此飞行速度降低了。五个分配创新设计第4次人造卫星宇宙速度[学习目标] 1.了解人造卫星的发射和操作原理，知道三个宇宙速度的含义，并能够获得第一个速度。
2.通过理解人工卫星的运行原则，我们可以认识到普遍吸引人的作用，并培养学生对人类的意识。[阅读指南]。其中心速度加速度的速度越快，其飞行期越快，其引力势能越快，其动能越快，其发射过程中消耗的能量就越快，并且发射的速度越快。
【课堂锻炼】★巩固基础1.如果人造卫星以均匀的圆形运动绕地球绕地球绕地球绕地球绕地球，那么正确的陈述为（）A。A。卫星的轨道半径越大，其运行速度就越大B.卫星的轨道半径越大，卫星的运行速度就越大，则较大的群体较大， a 较大，当时，何时又一次，当时，何时又一次，当时，何时又一次;是恒定的，轨道半径越大，所需的中心力越小。2。小行星以均匀的圆形运动绕太阳绕太阳。 The is 4 times the of the earth's , then () A. Its is 2 times the of the earth B. Its is 1/2 of the of the earth C. Its is 4 years D. Its is 8 years 3. Let m the mass of the earth ( ), h the of the from the , R0 the of the earth, g0 the at the of the earth, ω0 the of the earth's , then the of the force on the from the earth is () A. equal to zero B. equal to C. =D. 上述结果都不是正确的4.地球两个人造卫星的质量比为m1：m2 = 1：2，圆轨道半径的比率为r1：r2 = 1：2，然后（）。它们的中心力F1：F2 = 1：1 5.人造卫星的飞行速度（线性速度）随着飞行高度的增加而降低。 ，人造地球卫星的最短时期。 7.行星的质量约为地球的9倍，如果地球是从地球测量的一半。
