高中物理必修2《宇宙航行》教案.docVIP

高中物理必修2宇宙航行教案 教学目标 知识与技能 1.了解人造卫星的有关知识，正确理解人造卫星做圆周运动时，各物理量之间的关系. 2.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度. 过程与方法 通过用万有引力定律来推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力. 情感、态度与价值观 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.感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观. 教学重难点 教学重点 1.第一宇宙速度的意义和求法. 2.人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系. 教学难点 1.近地卫星、同步卫星的区别. 2.卫星的变轨问题. 教学工具 多媒体、板书 教学过程 一、宇宙航行 1.基本知识 (1)牛顿的“卫星设想” 如图所示，当物体的初速度足够大时，它将会围绕地球旋转而不再落回地面，成为一颗绕地球转动的人造卫星. (2)原理 一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供， (3)宇宙速度 (4)梦想成真 1957年10月，苏联成功发射了第一颗人造卫星; 1969年7月，美国“阿波罗11号”登上月球; xx年10月15日，我国航天员杨利伟踏入太空. 2.思考判断 (1)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.() (2)在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9km/s.() (3)要发射一颗月球人造卫星，在地面的发射速度应大于16.7km/s.() 探究交流 我国于xx年10月发射的火星探测器“萤火一号”.试问这个探测器应大约以多大的速度从地球上发射 【提示】火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度与第三宇宙速度之间，即11.2km/s 二、第一宇宙速度的理解与计算 【问题导思】 1.第一宇宙速度有哪些意义? 2.如何计算第一宇宙速度? 3.第一宇宙速度与环绕速度、发射速度有什么联系? 1.第一宇宙速度的定义 又叫环绕速度，是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度，v=7.9km/s. 2.第一宇宙速度的计算 设地球的质量为M，卫星的质量为m，卫星到地心的距离为r，卫星做匀速圆周运动的线速度为v： 3.第一宇宙速度的推广 由第一宇宙速度的两种表达式可以看出，第一宇宙速度之值由中心星体决定，可以说任何一颗行星都有自己的第一宇宙速度，都应以 式中G为万有引力常量，M为中心星球的质量，g为中心星球表面的重力加速度，r为中心星球的半径. 误区警示 第一宇宙速度是最小的发射速度.卫星离地面越高，卫星的发射速度越大，贴近地球表面的卫星(近地卫星)的发射速度最小，其运行速度即第一宇宙速度. 例：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，已知该星球的半径为R，求这个星球上的第一宇宙速度. 方法总结：天体环绕速度的计算方法 对于任何天体，计算其环绕速度时，都是根据万有引力提供向心力的思路，卫星的轨道半径等于天体的半径，由牛顿第二定律列式计算. 1.如果知道天体的质量和半径，可直接列式计算. 2.如果不知道天体的质量和半径的具体大小，但知道该天体与地球的质量、半径关系，可分别列出天体与地球环绕速度的表达式，用比例法进行计算. 三、卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系 【问题导思】 1.卫星绕地球的运动通常认为是什么运动? 2.如何求v、T、a与r的关系? 3.卫星的线速度与卫星的发射速度相同吗? 为了研究问题的方便，通常认为卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由万有引力提供. 卫星的线速度v、角速度、周期T与轨道半径r的关系与推导如下： 由上表可以看出：卫星离地面高度越高，其线速度越小，角速度越小，周期越大，向心加速度越小. 误区警示 1.在处理卫星的v、T与半径r的关系问题时，常用公式“gR2=GM”来替换出地球的质量M会使问题解决起来更方便. 2.人造地球卫星发射得越高，需要的发射速度越大，但卫星最后稳定在绕地球运动的圆形轨道上时的速度越小. 例：如图所示为在同一轨道平面上的几颗人造地球卫星A、B、C，下列说法正确的是() A.根据v=，可知三颗卫星的线速度vA B.根据万有引力定律，可知三颗卫星受到的万有引力FAFBFC C.三颗卫星的向心加速度aAaBaC D.三颗卫星运行的角速度AB 【答案】C 四、卫星轨道与同步卫星 【问题导思】 1.人造地球卫星的轨道有什么特点? 2.人造地球卫星的轨道圆心一定是地心吗? 3.地球同步卫星有哪些特点? 1.人造地球卫星的轨道 人造卫星的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道. (1)椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上. (2)圆轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动. 总之，地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，但轨道平面一定过地心.当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道;当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道，如图所示. 2.地球同步卫星 (1)定义：相对于地面静止的卫星，又叫静止卫星. (2)六个“一定”. 同步卫星的运行方向与地球自转方向一致. 同步卫星的运转周期与地球自转周期相同，T=24h. 同步卫星的运行角速度等于地球自转的角速度. 同步卫星的轨道平面均在赤道平面上，即所有的同步卫星都在赤道的正上方. 同步卫星的高度固定不变. 特别提醒 由于卫星在轨道上运动时，它受到的万有引力全部提供给了向心力，产生了向心加速度，因此卫星及卫星上的任何物体都处于完全失重状态. 例：已知某行星的半径为R，以第一宇宙速度运行的卫星绕行星运动的周期为T，该行星上发射的同步卫星的运行速度为v，求同步卫星距行星表面高度为多少. 规律总结：同步卫星、近地卫星和赤道上随地球自转物体的比较 1.近地卫星是轨道半径近似等于地球半径的卫星，卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供.同步卫星是在赤道平面内，定点在某一特定高度的卫星，其做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供.在赤道上随地球自转做匀速圆周运动的物体是地球的一部分，它不是地球的卫星，充当向心力的是物体所受的万有引力与重力之差. 2.近地卫星与同步卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供;同步卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度.当比较近地卫星和赤道上物体的运动规律时，往往借助同步卫星这一纽带，这样会使问题迎刃而解. 五、卫星、飞船的变轨问题 例：如图所示，某次发射同步卫星的过程如下：先将卫星发射至近地圆轨道1，然后再次点火进入椭圆形的过渡轨道2，最后将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是() A.卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 B.卫星在轨道3上的角速度大于在轨道1上的角速度 C.卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度 D.卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度