6-5宇宙航行(完美版)

第五节 人造卫星 宇宙速度●本节教材分析本节教材重点讲述了人造地球卫星的发射原理，推导了第一宇宙速度，应使学生确切地理解，第一宇宙速度是卫星轨道半径等于地球半径时，即卫星在地面附近，环绕地球做匀速圆周运动的速度，当轨道半径r 大地球半径时，卫星绕地球做匀速圆周运动的速度变小.在实际教学时，学生常据课本图6—4所描述的情况得出离地球表面越高的地方，其运行速度越大的错误结论，对此可向学生说明：卫星在椭圆轨道上运行时，它在各点的速度大小是不同的，在近地点速度最大，以后逐渐就小，在远地点速度最小.虽然公式rGM v 只适用于描述做匀速圆周运动的卫星，但是由椭圆轨道上卫星的运行情况，也可以大致印证当r 变大时，v 变小.●教学目标一、知识目标1.了解人造卫星的有关知识.2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.3.了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的几个主要天体层次.4.了解宇宙大爆炸理论.通过用万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力.1.通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情.2.通过简述宇宙的产生过程，使学生明确宇宙将如何演化下去的问题需要我们不断地去探索增强学生学习物理的兴趣.●教学重点1.第一宇宙速度的推导.2.运行速率与轨道半径之间的关系.●教学难点运行速率与轨道半径之间的关系.●教学方法1.关于第一宇宙速度和地球同步卫星轨道的教学，采用电教法、推导法、归纳法、讲授法等综合教法进行.2.关于天体的几个层次的教学，采用电教法、讲授法进行.●教学用具投影片、CAI 课件（牛顿描绘的人造卫星原理图）、有关天体的录像资料.●教学过程用投影片出示本节课的学习目标.1.了解人造卫星的有关知识.2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度.3.了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的几个主要天体层次.4.了解宇宙大爆炸理论.●教学步骤1.问：在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同学生：它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远.因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远. 教师：假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？学生进行猜想.教师总结，并用多媒体模拟.如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星.2.引入：那么人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？本节课我们就来1.设一颗人造卫星沿圆形轨道绕地球运转.学生：由卫星所受地球的万有引力来提供.学生：r v m rMm G 22= ③所以我们得到rGM v = 教师：在公式中，M 为地球质量，G 为引力恒量，r 为卫星轨道半径.此式为卫星绕地球正常运转的线速度的表达式.2.讨论v 与r学生：由于GM 一定，r 越小，线速度v 越大，反之，r 越大，v 越小.教师：由此我们得到：距地面越高的卫星运转速率越小.那么，是向高轨道发射困难，学生：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功.3.对于靠近地面运行的人造卫星，求解它绕地球的速率.①学生解答.②在多媒体实物投影仪上抽查展示解题过程.对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r 近似等于地球的半径R ，则③教师：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具有的速度，叫第一宇宙速度. 4.第一宇宙速度v =7.9km/s一是发射卫星进入最低轨道所必须具有的最小速度.二是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度，即所有卫星的环绕速度均小于7.9km/s.过渡：如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,此时卫星的运行轨道又如何呢？5.①当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s,而小于11.2 km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆.②当物体的速度等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，这个速度叫做第二宇宙速度，也叫脱离速度.③达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力，如果使卫星的速度等于或者大于16.7km/s,这个速度叫做第三宇宙速度.(二）用多媒体放映“航天技术的发展和宇宙航行”的录像资料，使学生了解我国在航天技术上所取得的巨大成就.教师：在万有引力的应用中，我们谈到了利用万有引力定律发现了海王星和冥王星，本1.学生阅读课文.2.学生总结天体的层次.3.用多媒体展示天体各层次的实例.4.宇宙大爆炸理论认为：宇宙起源于约二百亿年前的一次大爆炸，爆炸初期，宇宙中现在可以看到的所有物质都聚积在一起，宇宙的密度非常大，温度非常高，随着宇宙的不断膨胀，温度逐渐下降.星系、恒星、行星、生命等逐渐形成，直至现在我们所处的这个宇宙.现代观测表明，除了银河系附近几个星系外，几乎所有的星系都在远离银河系，而且远离的速度与距离成正比，这说明宇宙在膨胀着，这一事实为宇宙大爆炸理论奠定了基础.②学生据课文内容，想象今后的宇宙将怎样发展演化下去.③教师：有关宇宙是怎样产生的，又将如何演化下去等问题还有许多课题需要我们不断地去研究、探索，希望同学们努力学习，将来投入到这一研究中.1.发射一个用来转播电视节目的同步卫星，应使它与地面相对静止，已知地球半径为6400km,2.宇航员坐在人造卫星里，试说明卫星在发射过程中人为什么会产生超重现象？当卫星1.第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km/s2.第二宇宙速度（脱离速度）v2=11.2km/s3.第三宇宙速度（逃逸速度）v3=16.7km/s2.行星—恒星—星团—星系—（一）课本P110练习二的（3），（4），（5），（6），（7）.1.要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度是 km/s.要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，必须使它的轨道速度等于或大于 km/s ，要使它飞行到太阳系以外的地方，它的速度必须等于或大于 km/s. 2.A. B.C.D.3.在环绕地球运行的宇宙飞船的实验舱内，下面几项实验中可以正常进行的是A.用天平称物体的质量B.C.上紧闹钟上的发条D.4.某行星的卫星，在靠近行星的轨道上飞行，若要计算行星的密度，需要测出的物理量A.行星的半径B.C.卫星运行的线速度D.5.A.如果知道人造地球卫星的轨道半径和它的周期，再利用万有引力恒量，就可算出地球B.两颗人造地球卫星，只要它们的绕行速率相等，不管它们的质量、形状差别有多大，它们的绕行半径和C.原来在同一轨道上沿同一方向绕行的人造卫星一前一后，若要后一卫星追上前一卫星D.一只绕火星飞行的宇宙飞船，宇航员从舱内慢慢走出，并离开飞船，飞船因质量减小，6.某人造卫星距地面的高度为h ，地球半径为R ，质量为M ，地面重力加速度为g ，万有引力恒量为G .（1）试分别用h 、R 、M 、G 表示卫星的周期T 、线速度v 和角速度ω.（2）试分别用h 、R 、g 表示卫星的周期T 、线速度v 和角速度ω.7.从地球发出的光讯号垂直于地面发射，讯号到达月球表面时正好能垂直射向水平月面，经反射返回地球被吸收，光速为c ，光讯号往复经历的时间为t ,地球的半径为R ，月球的半径为r ,月球绕地球转动的周期为T ，试求地球的质量.1.7.9 11.2 16.72.BC3.CD4.D5.AB6.(1) 33)(;;)(2h R GM h R GM v GM h R T +=+=+=ωπ （２）33)(;;)(2h R g R h R g R v g h R R T +=+=+=ωπ7.)22(2322ct r R GT ++π1.具有第一宇宙速度的人造地球卫星的周期是 秒，要想发射一颗周期为80分2.关于人造地球卫星，下列说法正确的是 （已知地球半径6400 km A.B.运行的速率可能等于8km/sC.D.运行的周期可能等于80min3.假设同步卫星的轨道半径是地球轨道半径的nA.同步卫星的向心加速度是赤道上物体向心加速度的（n +1B.同步卫星的向心加速度是赤道上物体向心加速度的nC.同步卫星的向心加速度是赤道上物体加速度的21n D.同步卫星的向心加速度是赤道上物体重力加速度的n4.两颗人造卫星A 和B 的质量之比为1∶2，它们的轨道半径之比为3∶1，某时刻它们A.线速度之比v A ∶v B =1∶3B.向心加速度之比a A ∶a B =1∶3C.向心力之比F A ∶F B =1∶18D.周期之比T A ∶T B =3∶15.宇宙飞船进入一个围绕太阳运行的近似圆形的轨道上运动，设地球绕太阳运行的周期为a ,如果轨道半径是地球轨道半径的9A.3aB.9aC.27aD.81a6.我国在1984年4月8日成功发射了一颗试验通讯卫星.1986年2月1日又成功地发射了一颗实用通讯卫星.这两颗卫星都是地球同步卫星，设这二颗卫星运行周期之比21T T A =,轨道半径比21R R B =，角速度之比21ωω=C .向心加速度之比21a a D =,A.A =B =C =D =1B.A =B =1;C =D =2C.A =B =2;C =D =1D.A =B =C =D =21.5075;不可能2.C3.B4.C5.C6.A。

编号：高一下-- 使用日期：设计教师：赵欣6、5 宇宙航行【学习目标】1、了解人造卫星的有关知识。

2、了解三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。

3、了解人类对太空的探索过程。

【学习重点】1、第一宇宙速度的推导。

2、运行速率与轨道半径之间的关系。

【教学难点】运行速率与轨道半径的关系。

【课前预习】一、人造地球卫星的原理请自主分析教材44页，尝试回答以下问题1、如教材44页图6、5-1所示，物体的速度足够大时，物体就不在落回地面，成为一颗让运动的。

2、人造地球卫星的原理：其向心力由地球对人造卫星的提供。

二、向心加速度请自主分析教材44页，回答以下问题1、第一宇宙速度：物体在地面附近环绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，V1= 。

2、第二宇宙速度：在地面附近发射的飞行器，克服地球的引力，离开地球的最小发射速度，V2= 。

3、第三宇宙速度：在地面附近发射的物体，挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度，V3= 。

【课内探究】探究一：人造卫星的运行规律1、设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，试根据动力学规律推导出人造卫星的运行速度，并说明人造卫星的运行速度与轨道的关系？2、根据上题的假设，人造卫星的角速度、周期和向心加速度与轨道半径的关系呢？例题1：人造地球卫星的轨道半径越大，则( )A、速度越小，周期越小B、速度越小，加速度越小C、加速度越小,周期越大D、角速度越小,加速度越大探究二：宇宙速度1、第一宇宙速度是如何推导出来的？2、为什么第一宇宙速度既是最大的环绕速度，也是最小的发射速度？3、当人造卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动时，其周期约为84.8分钟，那么能否发射一颗绕地球做匀速圆周运动，运行周期为80分钟的人造地球卫星呢？例题2：若某中子星的密度为1.2×1017kg/m3,半径为10km，那么该中子星的第一宇宙速度约为多少？（G=6.67×1017Nm2/kg2）(结果保留两位有效数字)探究三：地球同步卫星1、地球同步卫星的轨道应该怎样分布？2、地球同步卫星的那些物理量是定值？3、地球同步卫星上的物体处于什么状态？在同步卫星上那些器材不能正常使用？【即时训练】1、两颗人造地球卫星质量之比m1∶m2=1∶2,轨道半径之比R1∶R2=3∶1，下列有关数据之比正确的是( )A、周期之比T1∶T2=3∶1B、线速度之比v1∶v2=3∶1C、向心力之比F1∶F2=1∶9D、向心加速度之比a1∶a2=1∶92、我国将要发射一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥1号”。

6-5 宇宙航行一宇宙速度1.第一宇宙速度（1）第一宇宙速度的推导第一宇宙速度也叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度。

推导地球的第一宇宙速度的方法：【推导1】设地球的质量为M，半径为R，近地卫星质量为m，环绕速度为v1，由万有引力定律和牛顿第二定律有 G MmR2=m v12R，把R＝6400 km 和M＝6×1024kg 代入计算得地球的环绕速度v1=√GMR=7.9km/s 。

【推导2】在地面附近，万有引力近似等于重力。

设g为地球表面重力加速度，g＝9.8m/s2。

由人造地球卫星的重力为其环绕地球运动提供向心力，有mg=m v12R，所以v1=√gR=7.9km/s 。

每个星球都有自己的宇宙速度，并且不同星球上的宇宙速度并不相同。

上述两种推导地球第一宇宙速度的方法，也可以推广应用到其他星球上去，即知道了某个星球的质量M和半径R，或该星球的半径R及星球表面的重力加速度g，可以用同样的方法，求得该星球上的第一宇宙速度。

（2）第一宇宙速度的深层含义【含义1】第一宇宙速度是人造地球卫星的最大环绕速度如图所示，一质量为m的卫星在距地心r（r大于地球半径）的圆轨道上做匀速圆周运动。

由上述第一宇宙速度推导相同的方法可得运行速度 v2=√GMr，由于r＞R，所以v2＜v1，即v1=7.9km/s 是人造地球卫星的最大环绕速度。

【含义2】第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度如图所示，一质量为m的卫星在地面被发射入轨，设发射速度为v3，若v3=v1，则G MmR2=m v32R，即卫星恰在地面附近环绕地球做匀速圆周运动。

若v3＜v1，则G MmR2＞m v32R，此时万有引力大于卫星所需的向心力，卫星将做靠近地心的运动而落回地面。

可见，要将卫星送入轨道，需v3≥v1＝7.9km/s ，即人造地球卫星的最小地面发射速度为v1=7.9km/s 。

2.第二宇宙速度（脱离速度）在地面上发射物体，使之能够脱离地球的引力作用，成为绕太阳运行的人造卫星或飞到其他行星上所必需的最小发射速度，成为第二宇宙速度，其大小为v2=11.2km/s 。

第六章第五节 宇宙航行班级________ 姓名_________【自主学习】一、人造地球卫星如图6－5－1所示，如果物体的 足够大时，物体就不再落回地面，它将会绕运动，成为一颗人造卫星。

现在我们就来计算，这个速度应该有多大？设地球质量为M ，绕地球（近地）做匀速圆周运动的飞行器的质量为m ，飞行器到地心的距离为r ，万有引力常量为G ，求：飞行器绕地球（近地）做匀速圆周运动的线速度为v 的大小是多少？解：飞行器运动所需的向心力是由万有引力提供的根据万有引力定律和牛顿第二定律（或向心力公式）得：应用近地条件r≈R(R 为地球半径)，取R ＝6 400 km ，M ＝6×1024 kg ，则：v ＝ km/s 。

第一宇宙速度的另一种推导：在地面附近，万有引力近似等于重力，此力提供卫星做匀速圆周运动的向心力。

(地球半径R 、地面重力加速度g 已知)由mg ＝m v2R得 v ＝gR ＝9.8×6 400×103 m/s ＝7.9 km/s 。

二、宇宙速度1第一宇宙速度为7.9 km/s ，这就是物体在地面附近做匀速圆周运动的速度，即卫星的最大环绕速度，也是发射卫星的最小发射速度。

在地面附近发射卫星，如果速度大于 7.9 km/s ，而小于11.2km/s ，它绕地球运行的轨迹就不是 ，而是 。

2．第二宇宙速度为 km/s ，当物体的速度等于或大于这个数值时，物体就会克服地球的引力，永远离开地球，也是物体脱离地球的束缚所需要的最小发射速度。

3．第三宇宙速度为 km/s ，该数值为物体脱离太阳引力的束缚所需的最小发射速度。

三、卫星1、近地卫星：卫星运动的轨道半径r等于地球半径R2、地球同步卫星：相对于地面静止，运行周期与地球自转周期相同的卫星叫做地球同步卫星.【典型例题】1．关于地球同步卫星的说法正确的是 ( )A．所有地球同步卫星一定在赤道上空B．不同的地球同步卫星，离地高度不同C．所有地球同步卫星的向心加速度大小一定相等D．所有地球同步卫星受的向心力大小一定相等【学后自测】2．下列说法中正确的是 ( )A．第一宇宙速度是从地面上发射人造地球卫星的最小发射速度B．第一宇宙速度是同步卫星的环绕速度C．第一宇宙速度是在地球表面附近环绕地球运转的卫星的环绕速度D．卫星从地面发射时的发射速度越大，则卫星距地面的高度越小，其环绕速度则可能大于第一宇宙速度3.2010年10月我国发射了“嫦娥二号”探月卫星，该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面，已知月球的质量约为地球质量的181，月球半径约为地球半径的14，地球上的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的速率约为 ( )A．0.4 km/s B．1.8 km/s C．11 km/s D．36 km/s4．某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t物体以速率v落回手中。