云南省峨山彝族自治縣高中物理第六章萬有引力與航天教案(打包7套)新人教版必修2.zip
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5.宇宙航行
三維目標
知識與技能
1.了解人造衛(wèi)星的有關知識;
2.知道三個宇宙速度的含義,會推導第一宇宙速度。
過程與方法
通過用萬有引力定律推導第一宇宙速度,培養(yǎng)學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)學生的愛國熱情;
2.感知人類探索宇宙的夢想.促使學生樹立獻身科學的人生價值觀。
教學重點
第一宇宙速度的推導。
教學難點
運行速率與軌道半徑之間對應的關系。
教學方法
探究、講授、討論、練習。
教具準備
多媒體課件
教學過程
[新課導入]
1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星,開創(chuàng)了人類航天時代的新紀元。我國在70年代發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來,相繼發(fā)射了多顆不同種類的衛(wèi)星,掌握了衛(wèi)星回收技術和“一箭多星”技術,1999年發(fā)射了“神舟”號試驗飛船。
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,我們對人造衛(wèi)星已有所了解,那么地面上的物體在什么條件下才能成為人造衛(wèi)星呢?人造衛(wèi)星的軌道半徑和它的運動速率之間有什么關系呢?這節(jié)課,我們要學習有關人造地球衛(wèi)星的知識。
[新課教學]
一、人造地球衛(wèi)星
1.牛頓的設想
在高山上用不同的水平初速度拋出一個物體,不計空氣阻力,它們的落地點相同嗎?
它們的落地點不同,速度越大,落地點離山腳越遠。因為在同一座高山上拋出,它們在空中運動的時間相同,速度大的水平位移大,所以落地點也較遠。
假設被拋出物體的速度足夠大,物體的運動情形又如何呢?
如果地面上空有一個相對于地面靜止的物體,它只受重力的作用,那么它就做自由落體運動,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,那么它將做平拋運動,牛頓曾設想過:從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度一次比一次大,落地點也一次比一次離山腳遠,如果沒有空氣阻力,當速度足夠大時,物體就永遠不會落到地面上來,它將圍繞地球旋轉,成為一顆繞地球運動的人造地球衛(wèi)星,簡稱人造衛(wèi)星。
2.人造地球衛(wèi)星
(1)人造地球衛(wèi)星
從地面拋出的物體,在地球引力的作用下繞地球旋轉,就成為繞地球運動的人造衛(wèi)星。
(2)人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件
地球對衛(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力。
(3)描述衛(wèi)星運動的物理量
設地球的質量為M,衛(wèi)星的質量為m,地球的半徑為R,衛(wèi)星離地面的高度為h,則衛(wèi)星的軌道半徑r=R+h,設衛(wèi)星在軌道上運動的向心加速度為a,線速度為v,角速度為ω,周期為T,根據(jù)萬有引力提供人造衛(wèi)星做圓周運動的向心力這一基本力學關系,得:
r
M
m
F
v
①衛(wèi)星的向心加速度
,r↑→a↓。
②衛(wèi)星運動的角速度
,r↑→ω↓。
③衛(wèi)星運動的線速度
,r↑→v↓。
④衛(wèi)星運動的周期
,r↑→T↑。
當人造衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運動時,rmin=R,Tmin=5060s。所以不可能在地球上發(fā)射一顆周期是80min的衛(wèi)星。
強調衛(wèi)星的軌道與相關各量的一一對應性。
二、宇宙速度
設一顆人造衛(wèi)星沿圓形軌道繞地球運轉,衛(wèi)星繞地球運轉的向心力由地球的萬有引力來提供。由知,距地面越高的衛(wèi)星運轉速率越小。
【思考討論】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?
向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星要困難,因為向高軌道發(fā)射衛(wèi)星,火箭要克服地球對它的引力做更多的功。
1.第一宇宙速度
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度,叫做第一宇宙速度(first cosmetic velocity),也叫做地面附近的環(huán)繞速度。
對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星,可以認為此時的r近似等于地球的半徑R,則
=7.9km/s
2.第二宇宙速度
如果衛(wèi)星進入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,此時衛(wèi)星的運行軌道又如何呢?
①當人造衛(wèi)星進入地面附近的軌道速度大于7.9km/s,而小于11.2 km/s,它繞地球運動的軌跡就不是圓形,而是橢圓。②當物體的速度等于或大于11.2km/s時,衛(wèi)星就會脫離地球的引力,不再繞地球運行。(此時軌道為拋物線)
從地面上發(fā)射人造天體,要使它脫離地球的引力,不再繞地球運行,所需要的最小發(fā)射速度,叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。
=11.2 km/s
3.第三宇宙速度
達到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力。在地面附近發(fā)射一個物體,要使物體掙脫太陽引力的束縛,飛到太陽系外,必須使它的速度等于或大于16.7 km/s,這個速度叫做第三宇宙速度。(以大于第三宇宙速度發(fā)射的人造天體,其軌道為雙曲線)
從地面上發(fā)射人造天體,使它不僅能脫離地球的引力,而且還能脫離太陽系的引力束縛,這時所需要的最小發(fā)射速度,叫第三宇宙速度,也稱為逃逸速度。
v3=16.7km/s
三、同步衛(wèi)星簡介
(向學生介紹有關衛(wèi)星的軌道問題:讓學生畫出他認為可能的軌道,逐一分析,得出衛(wèi)星的軌道要想穩(wěn)定,軌道必須在通過地球球心的大圓軌道內。介紹軌道平面、軌道傾角等概念;介紹極地軌道、赤道軌道等軌道類型)
F1
F2
F
同步衛(wèi)星是指相對于地球靜止,即始終在地球某一位置的正上方。因而,同步衛(wèi)星必須有一定的條件。
首先,衛(wèi)星的運動方向必須與地球的自轉方向一致,且和地球自轉的角速度要相同。
如圖所示,假定衛(wèi)星m在赤道上空以外的某空間隨地球轉動,其受力為地球對它的萬有引力F,將F分解為指向地軸的分力F1,該力作為衛(wèi)星隨地球轉動的向心力,另一分力為F2,實際中找不到與F2相平衡的力,所以衛(wèi)星將落向赤道平面,此時地球對衛(wèi)星的萬有引力全部作為向心力,所以同步衛(wèi)星只能定點在赤道上空。
1.地球同步衛(wèi)星的特點
(1)衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合,衛(wèi)星位于地球赤道的正上方,運動方向與地球自轉方向一致。
(2)衛(wèi)星的周期與地球自轉的周期相同,或角速度與地球自轉的角速度相同。
【例題】已知地球半徑R=6400km,運轉周期T=24h=24×3600s,地球質量M=5.98×1024kg,求同步衛(wèi)星的軌道高度h?
解析:同步衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力同萬有引力提供,根據(jù)向心力公式有:
代入數(shù)值解得:h=3.6×107m。
(說明:可以用GM=R2g來計算)
2.地球同步衛(wèi)星的“五定”
定周期(運轉周期與地球自轉周期相同);定軌道平面(軌道平面與赤道平面重合);定高度(離地高度為36000km),定速度(線速度均為3.1×103m/s);定點(每顆同步衛(wèi)星都定點在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上)。
四、夢想成真
探索宇宙的奧秘,奔向廣闊而遙遠的太空,是人類自古以來的夢想。
真正為人類邁向太空提供科學思想的,是生于19世紀中葉的俄羅斯學者齊奧爾科夫斯基。他指出,利用噴氣推進的多級火箭,是實現(xiàn)太空飛行最有效的工具。
地球是人類的搖籃,但是人類不會永遠生活在搖籃里。
——齊奧爾科夫斯基
1957年10月4日,世界上第一顆人造地球衛(wèi)星在蘇聯(lián)發(fā)射成功。衛(wèi)星重83.6 kg,每96min繞地球飛行一圈。
幾年之后,1961年4月12日,蘇聯(lián)空軍少校加加林進入了東方一號載人飛船?;鸺c火起飛,飛船繞地球飛行一圈,歷時108 min,然后重返大氣層,安全降落在地面,鑄就了人類進入太空的豐碑。
1969年7月16日9時32分,阿波羅11號飛船在美國卡納維拉爾角點火升空,拉開人類登月這一偉大歷史事件的帷幕。7月19日,飛船進入月球軌道。7月20日,指揮長阿姆斯特朗和駕駛員奧爾德林進入登月艙,與母船分離后于下午4時17分在月面著陸。10時56分,阿姆斯特朗小心翼翼地踏上月面,并說出了那句載入史冊的名言:“對個人來說,這不過是小小的一步,但對人類而言,卻是巨大的飛躍。”人們祝賀說:“由于你們的成功,天空已成為人類世界的一部分?!?
1992年,中國載人航天工程正式啟動。2003年10月15日9時,我國神舟五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,把中國第一位航天員楊利偉送入太空。飛船繞地球飛行14圈后,于10月16日6時23分安全降落在內蒙古主著陸場。這次成功的發(fā)射實現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢想,標志著中國成為世界上第三個能夠獨立開展載入航天活動的國家,為進一步的空間科學研究奠定了堅實的基礎。
盡管人類已經(jīng)跨入太空,登上月球,但是,相對于宇宙之宏大,地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃;相對于宇宙之久長,人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……宇宙留給人們的思考和疑問深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界?有沒有起始和終結?地外文明在哪里?……
愛因斯坦曾經(jīng)說過:“一個人最完美和最強烈的情感來自面對不解之謎?!蹦阆爰尤肫平馑男辛袉幔?
[小結]
通過本節(jié)課的學習,我們學習了繞地球飛行的衛(wèi)星情況,了解了描述衛(wèi)星的物理量的特點。知道了第一宇宙速度(環(huán)繞速度)v1=7.9km/s;第二宇宙速度(脫離速度)v2=11.2km/s;第三宇宙速度(逃逸速度)v3=16.7km/s。要區(qū)分衛(wèi)星的發(fā)射速度與衛(wèi)星進入軌道后的環(huán)繞速度。
[布置作業(yè)]
教材第44頁“問題與練習”。
板書設計
5.宇宙航行
一、人造地球衛(wèi)星
1.牛頓的設想
2.人造地球衛(wèi)星
(1)人造地球衛(wèi)星
從地面拋出的物體,在地球引力的作用下繞地球旋轉,就成為繞地球運動的人造衛(wèi)星。
(2)人造地球衛(wèi)星必須滿足的條件
地球對衛(wèi)星的萬有引力恰好提供衛(wèi)星作勻速圓周運動所需的向心力。
(3)描述衛(wèi)星運動的物理量
r
M
m
F
v
①衛(wèi)星的向心加速度
,r↑→a↓。
②衛(wèi)星運動的角速度
,r↑→ω↓。
③衛(wèi)星運動的線速度
,r↑→v↓。
④衛(wèi)星運動的周期
,r↑→T↑。
二、宇宙速度
1.第一宇宙速度
物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度,叫做第一宇宙速度(first cosmetic velocity),也叫做地面附近的環(huán)繞速度。
對于靠近地面運行的人造衛(wèi)星,可以認為此時的r近似等于地球的半徑R,則
=7.9km/s
2.第二宇宙速度
從地面上發(fā)射人造天體,要使它脫離地球的引力,不再繞地球運行,所需要的最小發(fā)射速度,叫第二宇宙速度。也叫做地面附近的脫離速度。
=11.2 km/s
3.第三宇宙速度
從地面上發(fā)射人造天體,使它不僅能脫離地球的引力,而且還能脫離太陽系的引力束縛,這時所需要的最小發(fā)射速度,叫第三宇宙速度,也稱為逃逸速度。
v3=16.7km/s
三、同步衛(wèi)星簡介
1.地球同步衛(wèi)星的特點
(1)衛(wèi)星的軌道平面與地球赤道平面重合,衛(wèi)星位于地球赤道的正上方,運動方向與地球自轉方向一致。
(2)衛(wèi)星的周期與地球自轉的周期相同,或角速度與地球自轉的角速度相同。
2.地球同步衛(wèi)星的“五定”
定周期(運轉周期與地球自轉周期相同);定軌道平面(軌道平面與赤道平面重合);定高度(離地高度為36000km),定速度(線速度均為3.1×103m/s);定點(每顆同步衛(wèi)星都定點在世界衛(wèi)星組織規(guī)定的位置上)。
四、夢想成真
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