2019-2020年高一物理 第六章 萬有引力定律 五、人造衛(wèi)星、宇宙速度(第一課時) 人教大綱版第一冊.doc

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2019-2020年高一物理 第六章 萬有引力定律 五、人造衛(wèi)星、宇宙速度(第一課時) 人教大綱版第一冊 ●本節(jié)教材分析 本節(jié)教材重點講述了人造地球衛(wèi)星的發(fā)射原理，推導了第一宇宙速度，應使學生確切地理解，第一宇宙速度是衛(wèi)星軌道半徑等于地球半徑時，即衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運動的速度.當軌道半徑r大于地球半徑時，衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的速度變小.在實際教學時，學生常根據(jù)課本圖6—4所描述的情況得出離地球表面越高的地方，其運行速度越大的錯誤結論，對此可向?qū)W生說明：衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時，它在各點的速度大小是不同的，在近地點速度最大，以后逐漸減小，在遠地點速度最小.雖然公式v=只適用于描述做勻速圓周運動的衛(wèi)星，但是由橢圓軌道上衛(wèi)星的運行情況，也可以大致印證當r變大時，v變小. ●教學目標 一、知識目標 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. 3.了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的幾個主要天體層次. 4.了解宇宙大爆炸理論. 二、能力目標 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. 三、德育目標 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.通過簡述宇宙的產(chǎn)生過程，使學生明確宇宙將如何演化下去的問題需要我們不斷地去探索，增強學生學習物理的興趣. ●教學重點 1.第一宇宙速度的推導. 2.運行速率與軌道半徑之間的關系. ●教學難點 運行速率與軌道半徑之間的關系. ●教學方法 1.關于第一宇宙速度和地球同步衛(wèi)星軌道的教學，采用電教法、推導法、歸納法、講授法等綜合教法進行. 2.關于天體的幾個層次的教學，采用電教法、講授法進行. ●教學用具 投影片、CAI課件(牛頓描繪的人造衛(wèi)星原理圖)、有關天體的錄像資料. ●課時安排 1課時 ●教學過程 ［投影］本節(jié)課的學習目標 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. 3.了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的幾個主要天體層次. 4.了解宇宙大爆炸理論. 學習目標完成過程 一、導入新課 上節(jié)課我們學習了萬有引力定律在天文學上的應用.現(xiàn)在請同學們回憶下列問題. 1.萬有引力定律在天文學上有何作用？ 2.如何應用萬有引力定律計算天體的質(zhì)量？能否計算環(huán)繞天體的質(zhì)量？ ［學生活動］經(jīng)過思考，回答上述問題： 1.應用萬有引力定律可以估算天體的質(zhì)量；可以來發(fā)現(xiàn)未知天體. 2.應用萬有引力定律求解天體質(zhì)量時，我們可以用下面三個方程求解： F引=F心 ① F引=mg ② mg=F心 ③ 二、新課教學 1.人造衛(wèi)星 A.基礎知識 請同學們閱讀課文第一自然段，同時思考下列問題. ［投影出示］ 1.在地面拋出的物體為什么要落回地面？ 2.什么叫人造地球衛(wèi)星？ ［學生活動］閱讀課文,從課文中找出相應的答案. 1.在地面上拋出的物體，由于受到地球引力的作用，所以最終都要落回到地面. 2.如果在地面上拋出一個物體時的速度足夠大，那么它將不再落回地面，而成為一個繞地球運轉的衛(wèi)星，這個物體此時就可認為是一顆人造地球衛(wèi)星. B.深入探究 1.月球也要受到地球引力的作用，為什么月亮不會落到地面上來？ 2.物體做平拋運動時，飛行的距離與飛行的水平初速度有何關系? 3.若拋出物體的水平初速度足夠大，物體將會怎樣？ ［學生活動］分組討論，得出結論. 1.由于月球在繞地球沿近似圓周的軌道運轉，此時月球受到的地球的引力(即重力)，用來充當繞地運轉的向心力，故而月球并不會落到地面上來. 2.由平拋物體的運動規(guī)律知： x=v0t ① t= ② 聯(lián)立①、②可得： x=v0 即物體飛行的水平距離和初速度v0及豎直高度h有關，在豎直高度相同的情況下，水平距離的大小只與初速度v0有關，水平初速度越大，飛行的越遠. 3.當平拋的水平初速度足夠大時，物體飛行的距離也很大，由于地球是一圓球體，故物體將不能再落回地面，而成為一顆繞地球運轉的衛(wèi)星. C.教師總結 ［用多媒體演示］平拋物體的速度逐漸增大，飛行距離也跟著增大，當速度足夠大時，成為一顆繞地運轉的衛(wèi)星. 牛頓曾依據(jù)平拋現(xiàn)象猜想了衛(wèi)星的發(fā)射原理，但他沒有看到他的猜想得以實現(xiàn).今天，我們的科學家們把牛頓的猜想變成了現(xiàn)實. D.基礎知識應用 1.在地面拋出的物體，最終要落回地面的主要原因是________，________. 2.平拋物體________時，就會成為一顆人造地球衛(wèi)星. 參考答案: 1.受重力的作用；初速度不夠大 2.水平初速度足夠大 2.宇宙速度 ［過渡語］從上面學習可知，當平拋物體的初速度足夠大時就可成為衛(wèi)星.那么，大到什么程度就叫足夠大了呢？下面我們來討論這一個問題. A.基礎知識 請同學們閱讀第二部分——宇宙速度，同時考慮下面幾個問題. ［投影出示］ 1.衛(wèi)星環(huán)繞地球運轉的動力學方程是什么？ 2.為什么向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射要困難？ 3.什么叫第一宇宙速度？什么叫第二宇宙速度？什么叫第三宇宙速度？ ［學生活動］閱讀課文，找出相應答案. 1.衛(wèi)星繞地球運轉時做勻速圓周運動，此時的動力學方程是：F引=F心. 2.向高軌道發(fā)射衛(wèi)星時，火箭須克服地球?qū)λ囊Χ龈嗟墓?，對火箭的要求更高一些，所以比較困難. 3.人造衛(wèi)星在地面附近繞地球做勻速圓周運動時所必須具有的速度叫第一宇宙速度. 人造衛(wèi)星繞地球做橢圓軌道運動時所具有的最大運轉速度叫第二宇宙速度. 人造衛(wèi)星掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的宇宙中去時，所必須具有的速度叫第三宇宙速度. B.深入探究 1.衛(wèi)星繞地球運轉的最小半徑是多少？ 2.結合衛(wèi)星運轉的動力學方程，推導第一宇宙速度. ［學生活動］分組討論，得出答案. 1.衛(wèi)星運轉的最小半徑近似等于地球的半徑，即在地球表面繞地運轉. 2.由動力學方程：F引=F心 得：G=m 故：v=－ ① 由于萬有引力近似等于物體的重力，所以動力學方程也可為：mg=F心 得：mg=m 故v= ② ①、②兩式都可用于求解人造衛(wèi)星的第一宇宙速度. C.基礎知識應用 1.要使人造衛(wèi)星繞地球運行，它進入地面附近的軌道速度是________km/s，要使衛(wèi)星脫離地球引力不再繞地球運行，必須使它的軌道速度等于或大于________km/s，要使它飛行到太陽系以外的地方，它的速度必須等于或大于________km/s. 答案：7.9;11.2;16.7 2.關于第一宇宙速度，下面說法正確的是( ) A.它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度 B.它是近地圓形軌道上人造地球衛(wèi)星的運行速度 C.它是使衛(wèi)星進入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度 D.它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時在近地點的速度 答案：BC 三、反饋練習 1.某行星的衛(wèi)星在靠近行星的軌道上飛行，若要計算行星的密度，需要測出的物理量是( ) A.行星的半徑 B.衛(wèi)星的半徑 C.衛(wèi)星運行的線速度 D.衛(wèi)星運行的周期 2.關于人造地球衛(wèi)星與宇宙飛船的下列說法中，正確的是( ) A.如果知道人造地球衛(wèi)星的軌道半徑和它的周期，再利用萬有引力恒量，就可算出地球質(zhì)量 B.兩顆人造地球衛(wèi)星，只要它們的繞行速率相等，不管它們的質(zhì)量、形狀差別有多大，它們的繞行半徑和繞行周期一定是相同的 C.原來在同一軌道上沿同一方向繞行的人造衛(wèi)星一前一后，若要后一衛(wèi)星追上前一衛(wèi)星并發(fā)生碰撞，只要將后者速率增大一些即可 D.一艘繞火星飛行的宇宙飛船，宇航員從艙內(nèi)慢慢走出并離開飛船，飛船因質(zhì)量減小，所受萬有引力減小，故飛行速度減小 3.一顆人造地球衛(wèi)星離地面高h=3R(R為地球半徑).若已知地球表面的重力加速度為g,則衛(wèi)星做勻速圓周運動的速度是________，角速度是________，周期是________，若已知地球質(zhì)量為M，萬有引力常量為G，則衛(wèi)星做勻速圓周運動的速度是________，角速度是________，周期是________. 4.從地球發(fā)出的光訊號垂直于地面發(fā)射，訊號到達月球表面時正好能垂直射向水平月面，經(jīng)反射返回地球被吸收，光速為c，光訊號往復經(jīng)歷的時間為t，地球的半徑為R，月球的半徑為r，月球繞地球轉動的周期為T，試求地球的質(zhì)量. 參考答案： 1.D 2.AB 3.;;;;; 4.設地球質(zhì)量為M，月球質(zhì)量為m，則：G=mr′ 所以M=而r′=R+r+c 所以M= (2R+2r+ct)3 四、本節(jié)小結 通過本節(jié)學習掌握： (1)第一宇宙速度的推導 F引=F心G=m mg=F心mg=m (2)第二宇宙速度：v2=11.2 km/s (3)第三宇宙速度：v3=16.7 km/s 五、作業(yè) 1.閱讀本節(jié)內(nèi)容. 2.課本P110練習二的(3)，(4)，(5)，(6)，(7). 3.思考題： (1)發(fā)射一個用來轉播電視節(jié)目的同步衛(wèi)星，應使它與地面相對靜止，已知地球半徑為6400 km,問此衛(wèi)星應發(fā)射到什么高度？ (2)宇航員坐在人造衛(wèi)星里，試說明衛(wèi)星在發(fā)射過程中人為什么會產(chǎn)生超重現(xiàn)象？當衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動時又為什么會產(chǎn)生完全失重現(xiàn)象？ 4.系統(tǒng)復習本章內(nèi)容,畫出知識點結構圖. 六、板書設計 人造衛(wèi)星的發(fā)射原理 七、本節(jié)優(yōu)化訓練設計 1.地球同步衛(wèi)星到地心的距離r可由r3=求出.已知式中a的單位是m,b的單位是s,c的單位是m/s2,則( ) A.a是地球半徑，b是地球自轉周期，c是地球表面處的重力加速度 B.a是地球半徑，b是同步衛(wèi)星繞地心運動的周期，c是同步衛(wèi)星的加速度 C.a是赤道周長，b是地球自轉周期,c是同步衛(wèi)星的加速度 D.a是地球半徑，b是同步衛(wèi)星繞地心運動的周期，c是地球表面處的重力加速度 2.發(fā)射地球同步衛(wèi)星時，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓軌道1，然后經(jīng)點火，使其沿橢圓軌道2運行，最后再次點火，將衛(wèi)星送入同步橢圓軌道3.軌道1、2相切于Q點，軌道2、3相切于P點如右圖所示.則當衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法正確的是( ) A.衛(wèi)星在軌道3上的速率大于在軌道1上的速率 B.衛(wèi)星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度 C.衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)過Q點時的加速度大于它在軌道2上經(jīng)過Q點時的加速度 D.衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)過P點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度 3. 2000年1月26日,我國發(fā)射了一顆同步衛(wèi)星，其定點位置與東經(jīng)98的經(jīng)線在同一平面內(nèi).若把甘肅省嘉峪關處的經(jīng)度和緯度近似取為東經(jīng)98和北緯α=40，已知地球半徑R，地球自轉周期T，地球表面重力加速度g(視為常量)和光速c.試求該同步衛(wèi)星發(fā)出的微波信號傳到嘉峪關處的接收站所需的時間.(要求用題給的已知量的符號表示) 4.我國于1986年2月1日成功發(fā)射了一顆實用地球同步衛(wèi)星，于1999年11月20日又成功發(fā)射了“神舟號”試驗飛船，飛船在太空中飛行了21 h，環(huán)繞地球運轉了14圈，又順利地返回地面.那么此衛(wèi)星與飛船在軌道上正常運轉比較( ) A.衛(wèi)星運轉周期比飛船大 B.衛(wèi)星運轉速率比飛船大 C.衛(wèi)星運轉加速度比飛船大 D.衛(wèi)星離地高度比飛船大 5.地球和月球的質(zhì)量之比為81∶1，半徑之比為4∶1，求在地球上和月球上發(fā)射衛(wèi)星所需最小速度之比. 參考答案: 1.分析：題目給出r的表達式，四種說法不能直接判斷是否正確.但由萬有引力提供同步衛(wèi)星的向心力可得： 則r3= 其中M為地球質(zhì)量，T為同步衛(wèi)星繞地心運動的周期，也即地球自轉的周期.上式的表示形式與題目中的選項不符，故另想辦法. 對地球附近的衛(wèi)星由=mg 得GM=gR2 等效替換得r3= 其中T既是地球自轉周期，也是同步衛(wèi)星周期. 答案：AD 2.分析：本題主要考查人造地球衛(wèi)星的運動，尤其是考查了同步衛(wèi)星的發(fā)射過程，對考生理解物理模型有很高的要求. 由G 得v= 因為r3＞r1 所以v3＜v1 由G 得ω= 因為r3＞r1,所以ω3＜ω1 衛(wèi)星在軌道1上經(jīng)Q點時的加速度為地球引力產(chǎn)生的加速度，而在軌道2上經(jīng)過Q點時，也只有地球引力產(chǎn)生加速度，故應相等.同理，衛(wèi)星在軌道2上經(jīng)P點時的加速度等于它在軌道3上經(jīng)過P點時的加速度. 答案：BD 3.分析：本題考查通訊衛(wèi)星知識.人造地球同步通訊衛(wèi)星定點位置一定在赤道上空，從本題已知量分析，衛(wèi)星定點位置在東經(jīng)98經(jīng)線平面與赤道平面的交點上. 解：設m為衛(wèi)星質(zhì)量，M為地球質(zhì)量，r為衛(wèi)星到地球中心的距離，ω為衛(wèi)星繞地心轉動的角速度，由萬有引力定律和牛頓定律有 G=mrω2 式中G為引力常量.因同步衛(wèi)星繞地心轉動的角速度ω與地球自轉的角速度相等，有 ω= 因G=mg 得GM=gR2 設嘉峪關到同步衛(wèi)星的距離為L，如圖所示，由余弦定理 L= 所求時間為t= 由以上各式得：t= 4.分析：本題考查同步衛(wèi)星與普通衛(wèi)星的知識應用.對同步衛(wèi)星，地球?qū)λ囊μ峁┫蛐牧?，? T=;v=, a=,H=, H表示同步衛(wèi)星離地面高度. 飛船在軌道上正常運轉，地球?qū)λ囊μ峁┫蛐牧Γ? =ma′. 因為 T′==1.5 h＜T=24 h, 所以A對，B錯，C錯，D對. 答案：AD 5.分析：在星球表面附近，物體繞星球做圓周運動所需的向心力均來源于星球的萬有引力，討論問題時一般忽略星球自轉及其他星球?qū)ξ矬w的影響. 解：本題要求發(fā)射衛(wèi)星的最小速度，其實就是第一宇宙速度，即該衛(wèi)星做近地運動，故有： ① ② 故最小發(fā)射速度之比為9/2.