运用信息技术构建创新物理课堂教学设计教案

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《课题：人造卫星 宇宙速度》

石河子市第一中学 王奔 832000

教材分析

1．知识特点：人造卫星是高一新教材第六章万有引力定律中的最后一节课的内容，新教材的编排与原教材相比，稍有变动：①由选修内容改编为必修内容；②删掉了原材料中的“人造卫星的应用”和“航天技术的发不同”问题的分析；④把第一宇宙速度v=gR的推导放入课后的习题中。新教材针对高一学生的基础和接受能力，删减了部分内容，重点突出了“宇宙速度”的教学，并加强了逻辑的严密性。

2．知识地位：人造卫星是万有引力定律在天文学上应用的一个实例，是人类征服自然的见证，体现了知识的力量，是学生学习了解现代科技知识的一个极好素材。教材不但介绍了人造卫星中一些基本理论，更是在其中渗透了很多研究实际物理问题的物理方法。因此，本节课是“万有引力定律”中的重点内容，是学生进一步学习研究天体物理问题的理论基础。 教学目标：

一、知识目标

1、理解人造卫星的发射原理；

2、知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度；

3、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。

二、能力目标

1、培养学生的科学探索能力

2、培养学生的分析推理能力

三、情感目标

介绍我国人造卫星的发展史及航天事业发展的现状，激发学生的求知欲和民族自豪感，培养学生的爱国热情。

设计思想

本节课是应用课，学生已学过平抛运动、匀速圆周运动、万有引力定律等基本理论，具备了解决问题的基本工具。所以在设计中突出发挥学生的主体作用。课堂中通过设疑→思考→启发→引导这样一条主线，，让学生通过自己的分析研究来掌握获取相关的知识和方法。以多媒体技术为手段，以万有引力与向心力的“供需平衡”关系为讨论基准，以逐步提高发射速度为思维主线，激发鼓励学生的大胆思考、积极参与充分拓展学生想象空间，结合理性的数学计算，解决重点、难点问题。

教学重点：

1、理解人造卫星所需的向心力由地球的万有引力提供。

2、掌握第一宇宙速度的推导。

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教学难点：

1、理解人造卫星的发射速度与环绕速度的区别。

2、应用力学知识分析人造卫星的运动

教学方法：

启发式教学。多媒体辅助教学

教具：

多媒体课件、投影仪

教学过程：

一、新课引入：

（教师）地球是人类的摇篮，但是人不能永远生活在摇篮中。自古以来，人类遥望着广袤而深邃的星空，期盼着有朝一日能离开地球，飞向太空。中国古代就有嫦娥奔月的美丽传说。早在十四世纪末，我国明朝一位名叫万虎的人就做过首次升空的尝试。他在椅子上装上47枚大火箭，让人把自己捆在椅子上，并两手各拿一个大风筝，试图借助火箭的推力和风筝飞上天，当火箭被点燃喷火后，这只被称为“飞龙”的座椅一下冲出山头，并急速上升，但没过多久，当火光消散后，飞龙突然下坠，撞毁在山下。万虎的尝试虽然失败，但他以自己的鲜血和生命，勇敢和智慧，宣告了人类航天活动的开始，并激励后人去进行新的尝试，为了纪念这位航天先驱，在二十世纪六十年代，国际天文联合会以“万虎山”来命名月球上的一座环形山，以表彰他对航天事业的贡献。

今天，人类已经实现了登上月球的理想，我国也将在2005年实施登月的“嫦娥工程”，人类已进入新的航天时代，这节课我们就来学习有关卫星的一些知识。

（板书）第五节 人造卫星 宇宙速度

二、新课教学：

1人造卫星

（介绍）1957年10月，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，开创了人类航天时代的新纪元．我国在1970年4月20日发射了第一颗人造地球卫星，现在已成为世界上第五个依靠自己力量研制成火箭发射卫星、第三个掌握卫星回收技术、第四个用一枚火箭发射多颗卫星的国家． （课件展示） 我国所发射的各种功能的卫星。

（教师）人造地球卫星在各个领域中应用越来越广泛和深入，那么人造地球卫星是怎样发

射升空的，它为什么绕地球运行而不会掉下来？

（讨论）我们知道在地面上一定高度以初速度υ0向水

平方向抛射出的物

体由于重力作用，将会沿一条不断向下弯的曲线——抛

物线运动，最后落到地面上，物体的运动可以看作是它

同时参与了两个各自独立的分运动：沿水平方向的匀速

直线运动和竖直方向的自由落体运动，其射程可以这样

计算：

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s =υ0t

1h

gt2

2

如果物体的初速度增大一倍，则它的射程也增大一倍，人们普遍认为，不论初速度多大，物体总会落到地面，这是由于地球引力作用的结果。但是同样在地球旁边的月球，也受到地球引力作用，为什么不掉向地球呢？

在上面的分析中，我们总是把地球表面看成是

理想平面，重力的大小和方向都是不变的，当物体初

速度较小，射程不大时，这样处理是可以的，但是，

地球实际上是一个球体，如果物体的初速度比较大，

射程比较远，上述处理就不准确了，这是因为当抛出

的物体沿曲线轨迹下落时，地面也沿着球面向下弯

曲，重力的方向也跟着改变了，牛顿对物体的运动作

了进一步设想：如果物体抛出的初速度更大些，物体

就能抛的更远些，，运动曲线向下弯曲的程度也小些，

只要初速度足够大，使物体运动曲线的弯曲程度恰好和地球表面相同，则物体就永远落不到地面上。它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。

（多媒体动画展示牛顿假想图）

那么人造卫星围绕地球转动时的速度究竟要有多大呢？

2、宇宙速度：

问题的提出：(①地球近似看成圆，则人造卫星环绕地球旋转时做的是什么运动？

②人造卫星做匀速圆周运动的向心力由谁提供？

（1）第一宇宙速度

公式推导：设地球质量为M，半径为R。人造地球卫星在圆轨道上运行，质量为m，轨道半径为r。根据万有引力和圆周运动规律，引导学生分析、研究，并自己独立求出卫星运转速度：

GMmmv2 2rr

GM由此得出 v （1） r

从（1）式可以看出：卫星离地心越远，它运行的速度越慢。

（提问讨论）靠近地面时，r的值近似等于多少？此时卫星运行速度是多少？

（同学在下面算）r≈R（地球半径）=6.37×106m，在（1）中把r用地球半径Ｒ代入，可以求出

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GMv1 R（2）

1124GM6.67 10 5.89 10 v 1 / s 7. 9 km / s 6mR6.37 10

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具有的速度，叫第一宇宙速度。

（讨论讲述）第一宇宙速度的意义： a、人造地球卫星的最小发射速度；

b、卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度。

（学生活动）请同学们利用所学过的知识来推导第一宇宙速度的另一表达式：

v1 Rg （３）

讨论比较第（１）、（２）、（３）三个表达式，明确各自的含义：（１）表达式为人造卫星线速度的计算式，适合任何情况，（２）（３）两个表达式只适合近地卫星线速度的计算。如果卫星的速度小于第一宇宙速度，卫星将落到地面而不能绕地球运转；等于这个速度卫星刚好能在地球表面附近作匀速圆周运动；如果大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星将沿椭圆轨道绕地球运行，地心就成为椭圆轨道的一个焦点．

（２）第二宇宙速度（脱离速度）：

（多媒体课件展示）当发射速度大于7.9km/s时卫星的运行情况。 （讲述）v=11.2km/s，是使物体挣脱地球引力束缚，成为绕太阳运行的人造卫星或飞到其他行星上去的最小发射速度。当11.2km/s≤v＜16.7km/s时，卫星脱离地球束缚，成为太阳系的一颗“小行星”。

（３）第三宇宙速度（逃逸速度）：

（讲述）v=16.7km/s，是使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去的最小发射速度。当v≥16.7km/s时，如果人造天体具有这样的速度并沿着地球绕太阳的公转方向发射时，就可以摆脱地球和太阳引力的束缚而邀游太空了．即跑到太阳系以外的宇宙空间中去。

a、意义：使卫星挣脱地球的引力束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度．

b、如果人造天体的速度大于11.2km/s而小于16.7km/s，则它的运行轨道相对于太阳将是椭圆，太阳就成为该椭圆轨道的一个焦点．

动画展示三个宇宙速度(见右图)

3．人造卫星的发射速度和运行速度

人造卫星的发射速度与运行速度是两个

不

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同的概念

（1）发射速度：

所谓发射速度是指被发射物在地面附近离开发射装置时的初速度，并且一旦发射后就再无能量补充，被发射物仅依靠自己的初动能克服地球引力上升一定的高度，进入运动轨道．要发射一颗人造地球卫星，发射速度不能小于第一宇宙速度．若发射速度等于第一宇宙速度，卫星只能“贴着”地面近地运行．如果要使人造卫星在距地面较高的轨道上运行，就必须使发射速度大于第一宇宙速度．

（2）运行速度：是指卫星在进入运行轨道后绕地球做匀速圆周运动的线速度．当卫星“贴着”地面运行时，运行速度等于第一宇宙速度．根据

可知，人造卫星距地面越高（即轨道半径r越大），运行速度

越小．实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，所以卫星的实际运行速度一定小于发射速度．

（3）人造卫星的发射速度与运行速度之间的大小关系是：

．

例1：怎样正确理解第一宇宙速度？

【解析】第一宇宙速度也叫环绕速度．它是在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度．它即是人造地球卫星的最小发射速度，也是人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的最大速度．

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第一宇宙速度既可由

所以

也可由

由于地球自转所造成的物体所受的重力跟万有引力间的差异很小，可略去不计，所以

．

因此第一宇宙速度的两种表达式是一致的．

例２：甲、乙两个人造地球卫星都绕地球做匀速圆周运动，若它们的轨道半径之比为9：1，它们的线速度之比是多少？

【解析】当卫星在轨道上运转时，地球对卫星的引力是卫星做匀速圆周运动的向心力．对卫星甲有

对卫星乙有

以上两式相除化简化得

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例３：有两个人造地球卫星，都绕地球做匀速圆周运动，已知它们的轨道半径之比

，求这两个卫星的：（1）线速度之比；（2）角速度之比；（3）向心加速度之比；（4）运动周期之比．

【解析】（1）1：2 （2）1：8 （3）1：16 （4）8：1

（1）由

得

可以看出卫星的线速度与轨道半径的

都次方成反比，卫星的轨道半径越大，线速度越小；所有地球卫星的

相同．

（2）由

得

可以看出卫星的角速度与轨道半径的

都次方成反比，卫星的轨道半径越大，角速度越小；所有地球卫星的

相同．

（3）由

可以看出卫星的向心加速度与轨道半径的平方成反比，卫星的轨道半径越大，向心加速度越小．

（4）由

得

卫星的运行周期与轨道半径的

次

都相同． 方成正比，卫星的轨道半径越大，周期越大；所有卫星的

小结：卫星绕地球做匀速圆周运动所需的向心力由万有引力提供的，三种宇宙速度

，

，

．

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学生思考：①将卫星送入低轨道和送入高轨道哪一个更容易？为什么？ ②所需要的发射速度，哪一个更大？为什么？

③发射速度和卫星绕地旋转的速度是不是同一速度？发射速度大说

明什么？卫星运转速度大又说明什么？

从能的角度，圆周运动的公式引导学生分析二者的不同。

学生思考：我们刚研究过，当卫星的轨道半径越大时，卫星绕地球旋转时的速

度越慢，但向高轨道发射卫星却比向低轨道发射卫星要难，因

为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球引力做更多的功，需要

消耗更多的能量

知识巩固练习

１、关于第一宇宙速度，下面说法中正确的是（ bc）

Ａ、它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度

Ｂ、它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度

Ｃ、它是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度

Ｄ、它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度

２、某宇航局试图发射一颗绕地球做圆周运动的卫星，设地球表面的重力

加速度9.8m/s2，下列设想中哪些是可以实现的？（bc ）

Ａ、环绕速度为9.7km/s Ｂ、环绕速度为6.5km/s

C、周期为12h Ｄ、周期为1h

mv2

3、 一位同学根据向心力公式F=R，若人造卫星质量m不变，当轨道半径r增大2

1

时，人造卫星需要的向心力减小为原来的2。另一位同学根据卫星的向心力

Mm

2绕地球行，由公式F=Gr推断，当r增大2倍时，人造卫星需要的向心力1

减小为原来的4，哪位同学的说法对？说错的错在哪里？

4 地球同步卫星是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，周期T=24n，同步卫星必位于靠道上方n处，且n是一定的，已知地球半径R=6400km，试计算同步卫星的高度和速率。

六 作业布置

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1．阅读了解书上P110的阅读材料“黑洞”

2．P110—111 NO 2、7

3.上网了解我国卫星技术的发展现状