高中速度教案
發(fā)表時(shí)間:2020-09-09宇宙速度人造地球衛(wèi)星。
一名優(yōu)秀的教師就要對(duì)每一課堂負(fù)責(zé),作為高中教師就要精心準(zhǔn)備好合適的教案。教案可以保證學(xué)生們?cè)谏险n時(shí)能夠更好的聽課,幫助高中教師提前熟悉所教學(xué)的內(nèi)容。怎么才能讓高中教案寫的更加全面呢?下面是小編幫大家編輯的《宇宙速度人造地球衛(wèi)星》,歡迎大家與身邊的朋友分享吧!
教學(xué)目的:
1、了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)
2、.通過講解與舉例,讓學(xué)生掌握第一宇宙速度的推導(dǎo).了解第二、第三宇宙速度的意義
重點(diǎn):第一宇宙速度的推導(dǎo)
教學(xué)方法:啟發(fā)、講授
教學(xué)過程:
一.組織教學(xué):
二.引入新課:
1970年4月24日,我國(guó)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星,到現(xiàn)在我國(guó)已發(fā)射了多顆人造地球衛(wèi)星.1975年,我國(guó)就掌握了使衛(wèi)星返回地面的回收技術(shù),成為世界上第三個(gè)掌握這種先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家.1984年4月8日,我國(guó)發(fā)射了一顆試驗(yàn)通訊衛(wèi)星,把衛(wèi)星準(zhǔn)確地運(yùn)送到指定位置的同步軌道上.這是一個(gè)難度非常大的多維控制問題.同步衛(wèi)星的定點(diǎn)成功,標(biāo)志著我國(guó)在運(yùn)載火箭和衛(wèi)星技術(shù)方面已加入世界先進(jìn)行列.近幾年,我國(guó)一直利用火箭為其它國(guó)家發(fā)射衛(wèi)星.這節(jié)課我們來學(xué)習(xí)人造地球衛(wèi)星的基本知識(shí).
三.講授新課:
1.牛頓的人造衛(wèi)星設(shè)想:
如果地面上空有一個(gè)相對(duì)于地面靜止的物體,它只受到重力的作用,那么它將做自由落體運(yùn)動(dòng).如果物體在空中具有一定的初速度,且初速的方向與重力方向垂直,那么它將做平拋運(yùn)動(dòng).牛頓就曾設(shè)想,從高山上用不同的水平速度拋出物體,速度一次比一次大,則落點(diǎn)一次比一次遠(yuǎn),如不計(jì)空氣的阻力,當(dāng)速度足夠大時(shí),物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來,而圍繞地球旋轉(zhuǎn),成為一顆人造地球衛(wèi)星了.
2.宇宙速度:
⑴第一宇宙速度:
提問:當(dāng)物體一速度達(dá)到多大時(shí),物體在重力作用下,不會(huì)落到地面上來,而圍繞地球作圓周運(yùn)動(dòng),成為人造地球衛(wèi)星呢?
答:由于人造地球衛(wèi)星在空中運(yùn)行時(shí),僅受到地球?qū)λ娜f有引力作用,這時(shí),它就是衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力,即:
GMm/r2=mV2/r
∴V=(GM/r)1/2
從上式可見,r越大,即衛(wèi)星離地面越高,它環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的速度V越小.對(duì)于靠近地面運(yùn)行的衛(wèi)星,可以認(rèn)為r近似等于地球的半徑R地,地球?qū)ξ矬w的引力,近似等于衛(wèi)星的重力mg,則有:
V=(gR)1/2地
將g=0.0098km/s2和R地=6400km代入上式有:
V=7.9km/s
這就是人造地球衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)必須具有的速度,叫第一宇宙速度.也叫環(huán)繞速度.
說明:
1)是最小的發(fā)射速度,最大的環(huán)繞速度
2)所有軌道的圓心都在地心上
⑵第二宇宙速度:
如果人造地球衛(wèi)星進(jìn)入軌道的水平速度大于7.9km/s,而小于11.2
km/s,它繞地球運(yùn)行的軌跡就不是圓而是橢圓了.當(dāng)衛(wèi)星的速度等于或大于11.2km/s的速度時(shí),衛(wèi)星就可以掙脫地球的引力的束縛,成為繞太陽運(yùn)動(dòng)的人造行星,或飛到其它行星上去.所以11.2km/s這個(gè)速度叫做第二宇宙速度.也叫脫離速度
說明:是衛(wèi)星掙脫地球束縛的最小發(fā)射速度
⑶第三宇宙速度:
達(dá)到第二宇宙速度的衛(wèi)星還受到太陽的束縛,要想掙脫太陽的束縛,飛到太陽系以外的空間,速度必須大于16.7km/s,這個(gè)速度叫做第三宇宙速度.也叫逃逸速度
是掙脫太陽束縛的最小發(fā)射速度。
3.人造衛(wèi)星中的的超重和失重:
人造衛(wèi)星中的人和物體都處于完全失重狀態(tài).
4.人造衛(wèi)星的應(yīng)用:(詳見書)
四.小結(jié)、鞏固練習(xí):
例一.一顆在圓形軌道上運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星,軌道半徑為r時(shí),它的線速度大小為V.問:當(dāng)衛(wèi)星的軌道半徑增大到2r時(shí),它的線速度的大小變?yōu)槎嗌?jAb88.Com
例二.同步衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同.由于衛(wèi)星與地球同步地運(yùn)動(dòng),因此從地面看上去,衛(wèi)星好象靜止地停留在某地高空.問:這顆衛(wèi)星的高度是多少?
例三.宇宙中某星球的半徑為地球的2倍,星球的質(zhì)量為地球的2倍,若在該星球上發(fā)射一顆衛(wèi)星,使其環(huán)繞該星運(yùn)動(dòng)。問
該衛(wèi)星在該星附近軌道發(fā)射需最小速度是多少?
五.布置作業(yè):
1.書面作業(yè):
2.家庭作業(yè):
精選閱讀
人造衛(wèi)星宇宙速度
教學(xué)目標(biāo)
知識(shí)目標(biāo):
1、通過對(duì)行星繞恒星的運(yùn)動(dòng)及衛(wèi)星繞行星的運(yùn)動(dòng)的研究,使學(xué)生初步掌握研究此類問題的基本方法:萬有引力作為圓周運(yùn)動(dòng)的向心力;
2、使學(xué)生對(duì)人造衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)行等狀況有初步了解,使多數(shù)學(xué)生在頭腦中建立起較正確的圖景;
能力目標(biāo)
通過學(xué)習(xí)萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用,通過解世界和中國(guó)的航天事業(yè)的發(fā)展,了解世界上第一顆人造衛(wèi)星、第一個(gè)宇宙飛船、第一個(gè)宇航員的知識(shí),了解中國(guó)的神州一號(hào)、神州二號(hào)、神州三號(hào)的發(fā)射與回收,增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)主義熱情.
情感目標(biāo)
通過學(xué)習(xí)萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用,使學(xué)生真切感受到用自己所學(xué)的物理知識(shí)能解決天體問題,能解決實(shí)際問題,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情
教學(xué)建議
本節(jié)的教學(xué)過程中在加強(qiáng)應(yīng)用萬有引力定律的同時(shí),還應(yīng)注重衛(wèi)星的發(fā)射過程.請(qǐng)教師注意下列幾個(gè)問題.
一、天體運(yùn)動(dòng)和人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型
二、地球同步衛(wèi)星
三、衛(wèi)星運(yùn)行速度與軌道
衛(wèi)星從發(fā)射升空到正常運(yùn)行的連續(xù)過程,一般可分為幾個(gè)階段,每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的軌道.例如發(fā)射軌道、轉(zhuǎn)移軌道、運(yùn)行軌道、同步軌道、返回軌道等.有些衛(wèi)星的發(fā)射并不是直接到達(dá)運(yùn)行軌道,而需要多次變軌.例如地球同步衛(wèi)星就是先發(fā)射到近地的圓軌道上,再變?yōu)闄E圓形轉(zhuǎn)移軌道,最后在橢圓形軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)變?yōu)橥杰壍溃虼税l(fā)射過程需多級(jí)火箭推動(dòng).
--方案
教學(xué)重點(diǎn):萬有引力定律的應(yīng)用
教學(xué)難點(diǎn):人造地球衛(wèi)星的發(fā)射
教學(xué)方法:討論法
教學(xué)用具:多媒體和計(jì)算機(jī)
教學(xué)過程:
一、人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)
問題:
1、地球繞太陽作什么運(yùn)動(dòng)?
回答:近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng).
2、誰提供了向心力?
回答:地球與太陽間的萬有引力.
3、人造衛(wèi)星繞地球作什么運(yùn)動(dòng)?
回答:近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng).
4、誰提供了向心力?
回答:衛(wèi)星與地球間的萬有引力.
請(qǐng)學(xué)生思考討論下列問題:
例題1、根據(jù)觀測(cè),在土星外圍有一個(gè)模糊不清的光環(huán),試用力學(xué)方法判定土星的光環(huán)究竟是與土星相連的連續(xù)物,還是繞土星運(yùn)轉(zhuǎn)的小衛(wèi)星群?
分別請(qǐng)學(xué)生提出自己的方案并加以解釋:
1、如果是連續(xù)物則:這些物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度與半徑成正比,
2、如果是衛(wèi)星則:這些物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度與半徑的平方根成反比,這個(gè)題可以讓學(xué)生充分討論.
二、人造衛(wèi)星的發(fā)射
問題:1、衛(wèi)星是用什么發(fā)射升空的?
回答:三級(jí)火箭
2、衛(wèi)星是怎樣用火箭發(fā)射升空的?
學(xué)生可以討論并發(fā)表自己的觀點(diǎn).
下面我們來看一道題目:
例題2、1999年11月21日,我國(guó)“神州”號(hào)宇宙飛船成功發(fā)射并收回,這是我國(guó)航天史上重要的里程碑.新型“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭,將重達(dá)8.4t的飛船向上送至近地軌道1,飛船與火箭分離后,在軌道1上以速度7.2km/s繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng).試回答下列問題:
(1)根據(jù)課文內(nèi)容結(jié)合例題(2)(3)(4)問畫出圖示.
(2)軌道1離地的高度約為:
A、8000kmB、1600kmC、6400kmD、42000km
解:由萬有引力定律得:
解得:=1600km
故選(B)
(3)飛船在軌道1上運(yùn)行幾周后,在點(diǎn)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間向外噴射高速氣體使飛船加速,關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后飛船沿橢圓軌道2運(yùn)行,到達(dá)點(diǎn)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)再次使飛船加速,使飛船速率符合圓軌道3的要求,進(jìn)入軌道3后繞地球作圓周運(yùn)動(dòng),利用同樣的方法使飛船離地球越來越遠(yuǎn),飛船在軌道2上從點(diǎn)到點(diǎn)過程中,速率將如何變化?
解:由萬有引力定律得:
解得:
所以飛船在軌道2上從點(diǎn)到點(diǎn)過程中,速率將減?。?/p>
(4)飛船在軌道1、2、3上正常運(yùn)行時(shí):
①飛船在軌道1上的速率與軌道3上的速率哪個(gè)大?為什么?
回答:軌道1上的速率大.
②飛船在軌道1上經(jīng)過點(diǎn)的加速度與飛船在軌道2上經(jīng)過點(diǎn)的加速度哪個(gè)大?為什么?
回答:一樣大
③飛船在軌道1上經(jīng)過點(diǎn)的加速度與飛船在軌道3上經(jīng)過點(diǎn)的加速度哪個(gè)大?為什么?
回答:軌道1上的加速度大.
探究活動(dòng)
收集資料。組織學(xué)生編寫相關(guān)論文。
1、世界第一顆人造衛(wèi)星到中國(guó)的第一顆人造衛(wèi)星的歷史過程。
2、我國(guó)的人造衛(wèi)星現(xiàn)在在天空中飛翔的有多少顆及它們的周期。
高一物理人造衛(wèi)星宇宙速度教案46
6.5人造衛(wèi)星宇宙速度
一、素質(zhì)教育目標(biāo)
(一)知識(shí)教學(xué)點(diǎn)
1.了解人造衛(wèi)星的有關(guān)發(fā)射、運(yùn)行的知識(shí)
2.知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度
(二)能力訓(xùn)練點(diǎn)
培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化能力
(三)德育滲透點(diǎn)
通過介紹我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展水平,激發(fā)他們學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的熱情,培養(yǎng)他們的民族自豪感.
(四)美育滲透點(diǎn)
通過對(duì)天體運(yùn)動(dòng)軌跡的描繪展示了物理圖像的形式美.
二、學(xué)法引導(dǎo)
通過教師的講解和分析,使學(xué)生了解人造衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)原理及規(guī)律.
三、重點(diǎn)難點(diǎn)疑點(diǎn)及解決辦法
1.重點(diǎn)
衛(wèi)星運(yùn)行的速度、周期、加速度
2.難點(diǎn)
衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度和衛(wèi)星發(fā)射速度的區(qū)別
3.疑點(diǎn)
同步通訊衛(wèi)星為什么要定點(diǎn)在赤道正上方的確定軌道上?如何發(fā)射同步衛(wèi)星?
4.解決辦法
理解萬有引力是人造衛(wèi)星做圓周運(yùn)行的向心力,從而求得衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度,周期,加速度就是由它離地心距離r惟一因素決定的.
四、課時(shí)安排
1課時(shí)
五、教具學(xué)具準(zhǔn)備
自制同步衛(wèi)星模型
六、師生互動(dòng)活動(dòng)設(shè)計(jì)
1.教師通過講解、分析、介紹人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)的航天知識(shí).
2.學(xué)生通過討論,閱讀相關(guān)的材料擴(kuò)大知識(shí)面,通過例題的分析鞏固知識(shí).
七、教學(xué)步驟
(一)明確目標(biāo)
(略)
(二)重點(diǎn)、難點(diǎn)的學(xué)習(xí)與目標(biāo)的完成過程
1.衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度,周期,加速度.
衛(wèi)星脫離助推火箭后,獲得了一定的速度v,設(shè)衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),其運(yùn)行半徑為r,根據(jù)萬有引力等于向心力可得:
G
等式兩邊都有m,可以約去,說明衛(wèi)星的速度與其質(zhì)量無關(guān),我們得到:
(1)
由r得:
T=(2)
由G=ma得:
a=G(3)
從公式(1)、(2)、(3)式中可以看出,地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況(速度、周期、加速度)是由r惟一決定的.軌道半徑越大,衛(wèi)星運(yùn)行速度越小,周期越大,加速度越?。卉壍腊霃皆叫?,運(yùn)行速度越大,周期越小,加速度越大.當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的半徑等于地球半徑為R時(shí),衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度,周期和速度的大小分別為:v=7.9×m/s,T=5100s,a=9.8m/.
所以所有的人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行速度v<7.9×m/s,運(yùn)行周期T>5100s,運(yùn)行的加速度a<9.8m/.
2.同步通訊衛(wèi)星
同步通訊衛(wèi)星從地面上看,它總是某地的正上方,因而它的運(yùn)動(dòng)周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同;且它的軌道必然要和赤道平面處在同一個(gè)平面內(nèi)(讓學(xué)生討論同步衛(wèi)星為什么要滿足這兩個(gè)條件,并計(jì)算出同步衛(wèi)星距地面的高度h)
同步衛(wèi)星一般用于通訊,我們平時(shí)看電視,實(shí)況轉(zhuǎn)播等就是通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的,我國(guó)已成功地發(fā)射了多顆同步衛(wèi)星,豐富了我國(guó)人民的文化生活.
3.衛(wèi)星的發(fā)射速度
最早研究人造衛(wèi)星問題的是牛頓,他設(shè)想了這樣一個(gè)問題,在地面某處平拋一個(gè)物體,物體將沿一條拋物線落回地面,物體初速度越大,飛行距離越遠(yuǎn).考慮到地球是圓形的,如果初速度很大,拋出的物體總也落不到地面就成了人造地球衛(wèi)星了.
從剛才的分析我們知道,要想使物體成為地球的衛(wèi)星,物體需要一個(gè)最小的發(fā)射速度,物體以這個(gè)速度發(fā)射時(shí),能夠剛好貼著地面繞地球飛行,此時(shí)萬有引力F=mg,提供了衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力,即:
mg=m
我們可以求出這個(gè)最小速度
v==7.9×m/s
這個(gè)速度稱為第一宇宙速度
第一宇宙速度是發(fā)射一個(gè)物體,使其成為地球衛(wèi)星的最小速度.若以第一宇宙速度發(fā)射一個(gè)物體,物體將貼著地球表面的軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).若發(fā)射速度大于第一宇宙速度,物體將在橢圓軌道上離心運(yùn)動(dòng).若物體發(fā)射的速度達(dá)到或超過11.2km/s時(shí),物體將能夠擺脫地球引力的束縛,成為繞太陽運(yùn)動(dòng)的行星或飛到其他行星上.11.2km/s稱為第二宇宙速度,如果物體的發(fā)射速度再大,達(dá)到或超過16.7km/s時(shí),物體將能夠擺脫太陽引力束縛,飛到太陽系外.16.7km/s稱為第三宇宙速度.
(三)總結(jié)、擴(kuò)展
本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)行的一些情況.知道了第一宇宙速度是衛(wèi)星發(fā)射的最小速度,是衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最大速度,最后我們還了解了通訊衛(wèi)星的有關(guān)情況.
八、布置作業(yè)
1.(2)
2.(4)
3.(7)
九、板書設(shè)計(jì)
五、人造衛(wèi)星宇宙速度
1.衛(wèi)星運(yùn)行的速度、周期、加速度
v=
T=
a=G
2.衛(wèi)星的發(fā)射
(1)第一宇宙速度
mg=m
v==7.9×km/s
(2)第二宇宙速度v=11.2km/s
(3)第三宇宙速度V=16.7km/s
3.同步衛(wèi)星
十、背景知識(shí)與課外閱讀
萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)
萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是近代經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果.科學(xué)史上普遍認(rèn)為,這一成果應(yīng)該歸功于偉大的牛頓.但是,其他杰出的科學(xué)家如胡克、哈雷等在這一方面也做出了非常重要的貢獻(xiàn).但與牛頓相比,他們的觀點(diǎn)和研究方法總是存在著這樣或那樣的缺陷,最終與跨時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)失之交臂.
早在1661年,羅伯特胡克就已覺察到引力和地球上物體的重力有同樣的本質(zhì).1662年和1666年,他曾在山頂上和礦井下用測(cè)定擺的周期的方法做實(shí)驗(yàn),企圖找出物體的重量隨離地心距離而變化的關(guān)系,但沒有得出結(jié)果,在1674年的一次演講“證明地球周年運(yùn)動(dòng)的嘗試”中,他提出要在一致的力學(xué)原則的基礎(chǔ)上建立一個(gè)宇宙學(xué)說,為此提出了以下三個(gè)假設(shè):“第一,據(jù)我們?cè)诘厍蛏系挠^察可知,一切天體都具有傾向其中心的吸引力,它不僅吸引其本身各部分,并且還吸引其作用范圍內(nèi)的其他天體.因此,不僅太陽和月亮對(duì)地球的形狀和運(yùn)動(dòng)發(fā)生影響,而且地球?qū)μ柡驮铝镣瑯右灿杏绊?,連水星、金星、火星和木星對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)都有影響.第二,凡是正在作簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)的任何天體,在沒有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)之前,它將繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)不變.第三,受到吸引力作用的物體,越靠近吸引中心,其吸引力也越大.至于此力在什么程度上依賴于距離的問題,在實(shí)驗(yàn)中我還未解決.一旦知道了這一關(guān)系,天文學(xué)家就很容易解決天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律了.”胡克首先使用了“萬有引力”這個(gè)詞.他在這里提出的這三條假設(shè),實(shí)際上已包含了有關(guān)萬有引力的一切問題,所缺乏的只是定量的表述和論證.但是,胡克缺乏深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和敏捷的邏輯思維能力.他錯(cuò)誤的認(rèn)為,目前需要的是更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而沒有想到精確的測(cè)量結(jié)果已經(jīng)包含在了開普勒的實(shí)驗(yàn)記錄中.
1680年1月6日,胡克在給牛頓的一封信中,提出了引力反比于距離的平方的猜測(cè),并問道,如果是這樣,行星的軌道將是什么形狀.1684年,在胡克和愛德蒙哈雷、克里斯多夫倫恩等人的一次聚會(huì)中,又提出了推動(dòng)這一研究的問題.倫恩提出了一筆獎(jiǎng)金,條件是要在兩個(gè)月內(nèi)完成這樣的證明:從平方反比關(guān)系得到橢圓軌道的結(jié)果.胡克聲言他已完成了這一證明,但他要等待別人的努力都失敗后才肯把自己的證明公布出來.哈雷經(jīng)過反復(fù)思考,最后于1684年8月專程到劍橋大學(xué)向當(dāng)時(shí)已有些名望的牛頓求教.牛頓說他早已完成了這一證明,但當(dāng)時(shí)沒有找到這份手稿;在1684年底牛頓將重新作出的證明寄給了哈雷.在哈雷的熱情勸告和資助下.1687年,牛頓出版了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,公布了他的研究成果.
從《原理》中可以看出,牛頓首先是從猜測(cè)和直覺開始他關(guān)于引力的思考的.他看到,在地面上很高的地方,重力并沒有明顯的減弱,那么它是否也可以到達(dá)月球呢?如果月球也受到重力的作用,就可能是這個(gè)原因使它保持著球繞地球的軌道運(yùn)動(dòng).
牛頓指出,月球可以由于重力或者其他力的作用,使它偏離直線運(yùn)動(dòng)而偏向地球,形成繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),“如果沒有這樣一種力的作用,月球就不能保持在它的軌道上運(yùn)行.”但是,迫使月球作軌道運(yùn)動(dòng)的向心力與地面上物體所受的重力到底是否有同一本質(zhì)呢?在《原理》中,牛頓提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),設(shè)想有一個(gè)小月球很靠近地球,以至幾乎觸及到地球上最高的山頂那么使它保持軌道運(yùn)動(dòng)的向心力當(dāng)然就等于它在山處所受的重力.這時(shí)如果小月球突然失去了運(yùn)動(dòng),它就如同山處的物體一樣以相同的速度下落.如果它所受的向心力并不是重力,那么它就將在這兩種力的作用下以更大的速度下落,這是于我們的經(jīng)驗(yàn)不符合的.可見重物的重力和月球的向心力,必然是出于同一個(gè)原因.因此使月球保持在它軌道的力就是我們通常為重力的那個(gè)力.
進(jìn)一步深入,牛頓根據(jù)惠更斯的向心力公式和開普勒的三個(gè)定律推導(dǎo)了平方反比關(guān)系.牛頓還反過來證明了,如果物體所受的力指向一點(diǎn)而且遵從平方反比關(guān)系,則物體的軌道是圓錐曲線——橢圓,拋物線或雙曲線,這就推廣了開普勒的結(jié)論.在原理中牛頓同磁力作用相類比,得出這些指向物體的力應(yīng)與這些物體的性質(zhì)和量有關(guān),從而把質(zhì)量引進(jìn)了萬有引力定律.
牛頓把他在月球方面得到的結(jié)果推廣到行星的運(yùn)動(dòng)上去,并進(jìn)一步得出所有物體之間萬有引力都在起作用的結(jié)論.這個(gè)引力同相互吸引的物體質(zhì)量成正比,同它們之間的距離的平方成正比.牛頓根據(jù)這個(gè)定律建立了天體力學(xué)的嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論,從而把天體的運(yùn)動(dòng)納入到根據(jù)地面上的實(shí)驗(yàn)得出的力學(xué)原理之中,這是人類認(rèn)識(shí)史上的一個(gè)重大的飛躍.
十一、隨堂練習(xí)
1.(5)
2.(6)
3.設(shè)人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),衛(wèi)星離地面越高,則衛(wèi)星()
A.速度越大B.角速度越小
C.向心加速度越大D.周期越長(zhǎng)
4.宇航員在圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的航天飛機(jī)里會(huì)處于完全失重狀態(tài),下列說法中正確的是()
A.宇航員仍受重力作用B.宇航員受平衡力作用
C.重力正好提供向心力D.宇航員不受任何力作用
5.關(guān)于地球同步衛(wèi)星,下列說法正確的是()
A.已知它的質(zhì)量為m,若增為2m,同步軌道半徑將變?yōu)樵瓉淼?倍
B.它的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)為第一宇宙速度
C.它可以通過北京的正上方
D.地球同步衛(wèi)星的軌道是惟一的——赤道上方一定高度處
6.一對(duì)雙星,是由相距L、質(zhì)量分別為和的兩顆星體構(gòu)成,兩星間引力很大但又未吸引到一起,是因?yàn)樗鼈円赃B線上某點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,如圖6-3所示,試求它們各自運(yùn)轉(zhuǎn)半徑和角速度各是多少?
圖6-3
答案:1.答:只有ω一定時(shí),r增大到2倍,v才增大到2倍,實(shí)際上,隨著r的增大,ω在減小,而不能保持一定.因而速度不是與r成正比,而由v=可知,軌道半徑增大時(shí),線速度減?。?br> 2.后一位同學(xué)說的對(duì),前一位同學(xué)說的不對(duì),由公式F=m可知,只有v一定時(shí),r增大到2倍,F(xiàn)才減小為,實(shí)際上,在人造衛(wèi)星的運(yùn)行問題中,r增大時(shí),v是減小的,因而不能斷定F與r成反比.
3.BD4.AC5.D
6.==
宇宙速度
一位優(yōu)秀的教師不打無準(zhǔn)備之仗,會(huì)提前做好準(zhǔn)備,作為高中教師就要好好準(zhǔn)備好一份教案課件。教案可以讓學(xué)生能夠在課堂積極的參與互動(dòng),幫助高中教師能夠井然有序的進(jìn)行教學(xué)。所以你在寫高中教案時(shí)要注意些什么呢?以下是小編為大家收集的“宇宙速度”供大家借鑒和使用,希望大家分享!
第4節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.了解人造衛(wèi)星的發(fā)射與運(yùn)行原理,知道三個(gè)宇宙速度的含義,會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。
2.通過了解人造衛(wèi)星的運(yùn)行原理,認(rèn)識(shí)萬有引力定律對(duì)科學(xué)發(fā)展所起的作用,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)服務(wù)于人類的意識(shí)。
【閱讀指導(dǎo)】
1._____________________________________________________________________________________________________________________叫做第一宇宙速度。
_______________________________________________________________________________________________________________________叫做第二宇宙速度。
_______________________________________________________________________________________________________________________叫做第三宇宙速度。
2.同一顆衛(wèi)星距地心越遠(yuǎn),它運(yùn)行的線速度就越_____、角速度就越______、向心加速度就越______、飛行周期就越______、重力勢(shì)能就越______、動(dòng)能就越______、發(fā)射時(shí)需要消耗的能量就越_____、發(fā)射就越_______。
【課堂練習(xí)】
★夯實(shí)基礎(chǔ)
1.若人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則下列說法正確的是()
A.衛(wèi)星的軌道半徑越大,它的運(yùn)行速度越大
B.衛(wèi)星的軌道半徑越大,它的運(yùn)行速度越小
C.衛(wèi)星的質(zhì)量一定時(shí),軌道半徑越大,它需要的向心力越大
D.衛(wèi)星的質(zhì)量一定時(shí),軌道半徑越大,它需要的向心力越小
2.一顆小行星環(huán)繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。軌道半徑是地球公轉(zhuǎn)半徑的4倍,則()
A.它的線速度是地球線速度的2倍
B.它的線速度是地球線速度的1/2
C.它的環(huán)繞周期是4年
D.它的環(huán)繞周期是8年
3.用m表示地球通信衛(wèi)星(同步衛(wèi)星)的質(zhì)量,h表示衛(wèi)星離開地面的高度,R0表示地球的半徑,g0表示地球表面處的重力加速度,ω0表示地球自轉(zhuǎn)的角速度,則通信衛(wèi)星所受地球?qū)λ娜f有引力大小()
A.等于零B.等于
C.等于D.以上結(jié)果都不對(duì)
4.地球的兩顆人造衛(wèi)星質(zhì)量之比m1:m2=1:2,圓運(yùn)動(dòng)軌道半徑之比r1:r2=1:2,則()
A.它們的線速度之比v1:v2=:1
B.它們的運(yùn)行周期之比T1:T2=1:2
C.它們的向心加速度之比a1:a2=4:1
D.它們的向心力之比F1:F2=1:1
5.證明人造衛(wèi)星的飛行速度(線速度)隨著飛行高度的增加而減小。
★能力提升
6.已知地球表面平均重力加速度為9.8m/s2,地球的半徑為6.4×103km。求人造地球衛(wèi)星的最大飛行速度vmax,最大角速度ωmax,最短周期Tmin。
7.某星球的質(zhì)量約為地球的9倍,半徑為地球的一半,若從地球上高h(yuǎn)處平拋一物體,射程為60m,則在該星球上以同樣高度、以同樣初速度平拋同一物體,射程為多少?
第4節(jié)人造衛(wèi)星宇宙速度
【閱讀指導(dǎo)】
1._
從地球表面發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星,使它能圍繞地球運(yùn)行所需的最小發(fā)射速度
如果要使人造衛(wèi)星脫離地球的引力,不再繞地球運(yùn)行,從地球表面發(fā)射所需的最小速度
達(dá)到第二宇宙速度的物體還受到太陽的引力,要想使物體脫離太陽的束縛而飛離太陽系,從地球表面發(fā)射所需的最小速度。
2.小小小長(zhǎng)大小多困難
【課堂練習(xí)】
1.BD2.AC3.BC
4.
證明:衛(wèi)星飛行在空中,與地球之間只有萬有引力的作用。因此衛(wèi)星繞地球飛行時(shí)所需要的向心力完全由F萬來提供。設(shè)地球質(zhì)量為M,人造地球衛(wèi)星質(zhì)量為m:由此可證人造衛(wèi)星的飛行速度隨飛行高度的增加而減小。
5.
解:由上題可知,衛(wèi)星越貼近地面,飛行速度越大。所以牛頓假設(shè)的“近地衛(wèi)星”的速度應(yīng)該是衛(wèi)星飛行的最大速度。衛(wèi)星所受到萬有引力等于衛(wèi)星所受到的重力,即:重力充當(dāng)向心力。
。
根據(jù)公式:v=ωr最大飛行速度vmax對(duì)應(yīng)著最大飛行角速度ωmax。有:ωmax=vmax/R=7.9×103/6.4×107=1.24×10-3rad/s。
根據(jù)公式:ω=2π/T可知,衛(wèi)星的最大角速度有對(duì)應(yīng)著飛行的最短周期。有:T=2×3.14/1.24×10–3=5065S約合84min。
6.
解:在此題中G和M都是未知的,我們可以通過“黃金代換”求解。
設(shè)想地面上有一個(gè)物體m,它受到的萬有引力F萬和它所受到的重力近似相等,于是有:,其中,R為地球半徑。
解:(1)衛(wèi)星繞地心做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力F向是由萬有引力F萬來提供的。所以有:
帶入,有:
距地面高度為:h=r–R=4.22×107-6371×103=3.58×107m。這就是我們通常說的三萬六千公里。注意:不是用“黃金代換”也行。
(2)
(3)v=ωr=7.27×10–5×4.22×107=3.07×103m/s。
高一物理教案:《人造衛(wèi)星 宇宙速度》教學(xué)設(shè)計(jì)
每個(gè)老師需要在上課前弄好自己的教案課件,大家在認(rèn)真準(zhǔn)備自己的教案課件了吧。寫好教案課件工作計(jì)劃,才能規(guī)范的完成工作!你們會(huì)寫一段優(yōu)秀的教案課件嗎?考慮到您的需要,小編特地編輯了“高一物理教案:《人造衛(wèi)星 宇宙速度》教學(xué)設(shè)計(jì)”,相信能對(duì)大家有所幫助。
高一物理教案:《人造衛(wèi)星 宇宙速度》教學(xué)設(shè)計(jì)
教學(xué)目標(biāo)
知識(shí)目標(biāo):
1、通過對(duì)行星繞恒星的運(yùn)動(dòng)及衛(wèi)星繞行星的運(yùn)動(dòng)的研究,使學(xué)生初步掌握研究此類問題的基本方法:萬有引力作為圓周運(yùn)動(dòng)的向心力;
2、使學(xué)生對(duì)人造衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)行等狀況有初步了解,使多數(shù)學(xué)生在頭腦中建立起較正確的圖景;
能力目標(biāo)
通過學(xué)習(xí)萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用,通過解世界和中國(guó)的航天事業(yè)的發(fā)展,了解世界上第一顆人造衛(wèi)星、第一個(gè)宇宙飛船、第一個(gè)宇航員的知識(shí),了解中國(guó)的神州一號(hào)、神州二號(hào)、神州三號(hào)的發(fā)射與回收,增強(qiáng)學(xué)生的愛國(guó)主義熱情.
情感目標(biāo)
通過學(xué)習(xí)萬有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用,使學(xué)生真切感受到用自己所學(xué)的物理知識(shí)能解決天體問題,能解決實(shí)際問題,增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情
教學(xué)建議
本節(jié)的教學(xué)過程中在加強(qiáng)應(yīng)用萬有引力定律的同時(shí),還應(yīng)注重衛(wèi)星的發(fā)射過程.請(qǐng)教師注意下列幾個(gè)問題.
一、天體運(yùn)動(dòng)和人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型
二、地球同步衛(wèi)星
三、衛(wèi)星運(yùn)行速度與軌道
衛(wèi)星從發(fā)射升空到正常運(yùn)行的連續(xù)過程,一般可分為幾個(gè)階段,每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的軌道.例如發(fā)射軌道、轉(zhuǎn)移軌道、運(yùn)行軌道、同步軌道、返回軌道等.有些衛(wèi)星的發(fā)射并不是直接到達(dá)運(yùn)行軌道,而需要多次變軌.例如地球同步衛(wèi)星就是先發(fā)射到近地的圓軌道上,再變?yōu)闄E圓形轉(zhuǎn)移軌道,最后在橢圓形軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)變?yōu)橥杰壍?因此發(fā)射過程需多級(jí)火箭推動(dòng).
教學(xué)設(shè)計(jì)方案
教學(xué)重點(diǎn):萬有引力定律的應(yīng)用
教學(xué)難點(diǎn):人造地球衛(wèi)星的發(fā)射
教學(xué)方法:討論法
教學(xué)用具:多媒體和計(jì)算機(jī)
教學(xué)過程:
一、人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)
問題:
1、地球繞太陽作什么運(yùn)動(dòng)?
回答:近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng).
2、誰提供了向心力?
回答:地球與太陽間的萬有引力.
3、人造衛(wèi)星繞地球作什么運(yùn)動(dòng)?
回答:近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng).
4、誰提供了向心力?
回答:衛(wèi)星與地球間的萬有引力.
請(qǐng)學(xué)生思考討論下列問題:
例題1、根據(jù)觀測(cè),在土星外圍有一個(gè)模糊不清的光環(huán),試用力學(xué)方法判定土星的光環(huán)究竟是與土星相連的連續(xù)物,還是繞土星運(yùn)轉(zhuǎn)的小衛(wèi)星群?
分別請(qǐng)學(xué)生提出自己的方案并加以解釋:
1、如果是連續(xù)物則:這些物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度與半徑成正比,
2、如果是衛(wèi)星則:這些物體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度與半徑的平方根成反比, 這個(gè)題可以讓學(xué)生充分討論.
二、人造衛(wèi)星的發(fā)射
問題:1、衛(wèi)星是用什么發(fā)射升空的?
回答:三級(jí)火箭
2、衛(wèi)星是怎樣用火箭發(fā)射升空的?
學(xué)生可以討論并發(fā)表自己的觀點(diǎn).
下面我們來看一道題目:
例題2、1999年11月21日,我國(guó)“神州”號(hào)宇宙飛船成功發(fā)射并收回,這是我國(guó)航天史上重要的里程碑.新型“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭,將重達(dá)8.4t的飛船向上送至近地軌道1,飛船與火箭分離后,在軌道1上以速度7.2km/s繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng).試回答下列問題:
(1)根據(jù)課文內(nèi)容結(jié)合例題(2)(3)(4)問畫出圖示.
(2)軌道1離地的高度約為:
A、8000km B、1600km C、6400km D、42000km
解:由萬有引力定律得:
解得: =1600km
故選(B)
(3)飛船在軌道1上運(yùn)行幾周后,在 點(diǎn)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間向外噴射高速氣體使飛船加速,關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后飛船沿橢圓軌道2運(yùn)行,到達(dá) 點(diǎn)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)再次使飛船加速,使飛船速率符合圓軌道3的要求,進(jìn)入軌道3后繞地球作圓周運(yùn)動(dòng),利用同樣的方法使飛船離地球越來越遠(yuǎn),飛船在軌道2上從 點(diǎn)到 點(diǎn)過程中,速率將如何變化?
解:由萬有引力定律得:
解得:
所以飛船在軌道2上從 點(diǎn)到 點(diǎn)過程中,速率將減小.
(4)飛船在軌道1、2、3上正常運(yùn)行時(shí):
①飛船在軌道1上的速率與軌道3上的速率哪個(gè)大?為什么?
回答:軌道1上的速率大.
②飛船在軌道1上經(jīng)過 點(diǎn)的加速度與飛船在軌道2上經(jīng)過 點(diǎn)的加速度哪個(gè)大?為什么?
回答:一樣大
③飛船在軌道1上經(jīng)過 點(diǎn)的加速度與飛船在軌道3上經(jīng)過 點(diǎn)的加速度哪個(gè)大?為什么?
回答:軌道1上的加速度大.
探究活動(dòng)
收集資料。組織學(xué)生編寫相關(guān)論文。
1、世界第一顆人造衛(wèi)星到中國(guó)的第一顆人造衛(wèi)星的歷史過程。
2、我國(guó)的人造衛(wèi)星現(xiàn)在在天空中飛翔的有多少顆及它們的周期。