§6-5人造衛(wèi)星宇宙速度

1、PAGE PAGE 76-5 人造衛(wèi)星 宇宙速度課時(shí)計(jì)劃：1節(jié) 累計(jì)課時(shí)： 授課時(shí)間： 月 日 授課類型：講授課知識(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(wàn)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(wàn)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(wàn)有引力定律在天文學(xué)上的應(yīng)用，使學(xué)

2、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(wàn)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杰壍酪虼税l(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(wàn)有引力

3、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)過程：一、人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)問題：1、地球繞太陽(yáng)作什么運(yùn)動(dòng)？回答：近似看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)2、誰(shuí)提供了向心力？回答：地球與太陽(yáng)間的萬(wàn)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(shuí)提供了向心力？回答：衛(wèi)星與地球間的萬(wàn)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

4、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(lái)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(wàn)有引

5、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(lái)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(wàn)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?。?）飛船在軌道1、2、3上正常運(yùn)行時(shí)：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)

6、大？為什么？回答：一樣大飛船在軌道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上的加速度大典型例題萬(wàn)有引力與圓周運(yùn)動(dòng)公式的綜合運(yùn)用例1用 表示地球通訊衛(wèi)星（同步衛(wèi)星）的質(zhì)量， 表示它離地面的高度， 表示地球的半徑， 表示地球表面處的重力加速度， 表示地球自轉(zhuǎn)的角速度，則通訊衛(wèi)星所受萬(wàn)有引力的大小為：A、等于零B、等于 C、等于 D、以上結(jié)果都不正確解：可以認(rèn)為近地表面地重力近似等于萬(wàn)有引力大?。?，則得到： 即： ，這樣，當(dāng)通訊衛(wèi)星在距離地面 高處運(yùn)行時(shí)，其萬(wàn)有引力大小就是： ；選擇選項(xiàng)B；另外同步衛(wèi)星與地球自傳角速度相等，因此：；解得： ,就得到了選項(xiàng)C因

7、此選擇BC實(shí)際應(yīng)用題例2 2000年1月26日我國(guó)發(fā)射了一顆同步衛(wèi)星，其定點(diǎn)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(guān)處的經(jīng)度和緯度近似取為東經(jīng)98和北緯 ，已知地球半徑 、地球自轉(zhuǎn)周期 、地球表面重力加速度 （視為常量）和光速 。試求該同步衛(wèi)星發(fā)出的微波信號(hào)傳到嘉峪關(guān)處的接收站所需的時(shí)間（要求用題給的已知量的符號(hào)表示）。解：設(shè) 為衛(wèi)星質(zhì)量， 為地球質(zhì)量， 為衛(wèi)星到地球中心的距離， 為衛(wèi)星繞地心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，由萬(wàn)有引力定律和牛頓定律有，式中 為萬(wàn)有引力恒量，因同步衛(wèi)星繞地心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 與地球自轉(zhuǎn)的角速度相等有：因 得 設(shè)嘉峪關(guān)到同步衛(wèi)星的距離為 ，如圖所示，由余弦定理： 所求時(shí)間為：

8、 由以上各式得： 擴(kuò)展資料第一個(gè)行星探測(cè)器人們發(fā)射了人造衛(wèi)星以后不久，就開始了行星探測(cè)器的研制工作太陽(yáng)系內(nèi)有9顆大行星，它們是水星、金星地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星探測(cè)的第一個(gè)目標(biāo)，就是離地球最近的金星開始，事情進(jìn)行得并不順利，屢次失敗直到1962年8月27日，第一個(gè)金星探測(cè)器“水手2號(hào)”發(fā)射成功12月14日“水手2號(hào)”在距金星34 838公里處飛過，完成了對(duì)金星的逼近考察，成為一顆人造行星，永遠(yuǎn)環(huán)繞太陽(yáng)飛行，每345.9天繞太陽(yáng)一周之后，人們發(fā)射了好幾個(gè)金星探測(cè)器，其中有的進(jìn)入了金星的大氣層，有的在金星上軟著陸它們向地球送回了大量的資料，揭開了蒙在金星表面的那層面紗，取得了

9、豐碩成果 火星是太陽(yáng)系中一顆迷人的天體它上面是否有生命，一直是個(gè)謎，很自然地，在行星際旅行的最初階段，人們立即想到要去拜訪那些想像中的“火星人”1965年，人們發(fā)射了火星探測(cè)器“水手4號(hào)”，第一次對(duì)火星進(jìn)行逼近探測(cè)之后，人們發(fā)射了好幾個(gè)火星探測(cè)器，有的在繞火星的軌道上飛行，有的在火星表面上軟著陸它們發(fā)回了大量資料但是，沒有一個(gè)火星探測(cè)器找到過火星人的蹤跡水星探測(cè)器“水手10號(hào)”于1973年11月3日發(fā)射成功它飛行了506個(gè)日日夜夜在飛行期間，它向地球傳送了4000多幅很清晰的電視照片根據(jù)照片，人們已給水星繪制了地貌圖水星給人們的印象是：它是多么地像月亮啊!為了考察木星這顆外行星，美國(guó)在1972

10、年3月3日發(fā)射了第一個(gè)木星探測(cè)器“先鋒10號(hào)”“先鋒10號(hào)”穿越火星軌道后，同年7月進(jìn)入小行星帶，1973年2月安全地通過了這個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，徑直向木星飛去，開始了對(duì)木星這顆太陽(yáng)系內(nèi)最大的行星的觀測(cè)這位重270千克的“使者”飛行了21個(gè)月，行程10億千米，于1973年12月5日風(fēng)塵仆仆地來(lái)到木星上空從它發(fā)回的資料來(lái)看，木星上奇異的大紅斑是一個(gè)聳立在10km高空的云團(tuán)這云團(tuán)可能是一個(gè)強(qiáng)大的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)壽命旋渦，也可能是一團(tuán)激烈上升的氣流“先鋒10號(hào)”被木星的巨大引力加速，終于克服了太陽(yáng)引力場(chǎng)，成為第一艘逃離太陽(yáng)系的宇宙飛船8年之后，它將穿過最遠(yuǎn)的行星冥王星的軌道，然后以每小時(shí)4萬(wàn)公里的速度向金牛座

11、飛去第一個(gè)宇航員1961年4月12日莫斯科時(shí)間上午9時(shí)7分，在拜克努爾飛船發(fā)射場(chǎng)，一支有六個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的重型火箭起飛了在末級(jí)火箭的頂端連著一個(gè)直徑為2.3m的球形容器，這就是“東方1號(hào)”宇宙飛船在球形容器中坐著世界上第一位宇宙航行員前蘇聯(lián)空軍少校尤里加加林，當(dāng)時(shí)他剛滿27歲“東方1號(hào)”是前蘇聯(lián)載人宇宙飛船的第一艘，它連同末級(jí)火箭在內(nèi)，總長(zhǎng)735m，重4725千克飛船在繞地球的軌道上總共飛行了108分鐘，其中有89分鐘加加林是在失重狀態(tài)下渡過的他沒有受到任何損傷而經(jīng)受了人類歷史上第一次試驗(yàn)他從宇宙飛船上報(bào)告說(shuō)“飛行正常，經(jīng)受失重狀況的情況良好”從而向人們證明，人體機(jī)能完全能勝任火箭起飛時(shí)的超重負(fù)載，

12、也能適應(yīng)宇宙飛行中的失重環(huán)境在繞地球飛行一周后，加加林安全地降落在莫斯科東南805公里的薩拉托夫當(dāng)時(shí)，全世界幾乎所有的報(bào)紙上都登載了他的照片1968年3月他在一次意外的飛機(jī)失事中遇難，年僅34歲前蘇聯(lián)政府于1980年決定：在加加林凱旋歸來(lái)所途經(jīng)的地方莫斯科繁華的列寧大街上，建立了一座加加林紀(jì)念碑，整個(gè)碑高40米，上面站立著12米高的加加林塑像第一顆人造衛(wèi)星世界上第一顆人造地球衛(wèi)星：人造地球衛(wèi)星1號(hào)，是前蘇聯(lián)在1957年10月4日發(fā)射的它的本體是一只用鋁合金做成的圓球，直徑58cm，重83.6kg圓球外面附著4根彈簧鞭狀天線，其中一對(duì)長(zhǎng)240cm，另一對(duì)長(zhǎng)90cm衛(wèi)星內(nèi)部裝有兩臺(tái)無(wú)線電發(fā)射機(jī)，頻

13、率分別為20.005兆赫及40.002兆赫無(wú)線電發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)，采用一般電報(bào)訊號(hào)的形式，每個(gè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間約0.3s，間歇時(shí)間與此相同此外還安裝有一臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)，一臺(tái)輻射計(jì)數(shù)器，一些測(cè)量衛(wèi)星內(nèi)部溫度和壓力的感應(yīng)元件及作為電源的化學(xué)電池它在拜克努爾發(fā)射場(chǎng)由一支三級(jí)運(yùn)載火箭發(fā)射起飛以后幾分鐘，衛(wèi)星從第三級(jí)火箭中彈出，達(dá)到第一宇宙速度(7.9km/s)，進(jìn)入環(huán)繞地球飛行的軌道它距離地面最遠(yuǎn)時(shí)為964.1 km，最近時(shí)為228.5km，軌道與地球赤道平面的夾角為65o，以96.2min時(shí)間繞地球1周，比原來(lái)預(yù)計(jì)的所需時(shí)間多1分20秒在秋夜的晴空中，有時(shí)它像一顆星星在群星中移動(dòng)，肉眼可以看到它這顆衛(wèi)星的運(yùn)載

14、火箭于1957年12月1日進(jìn)入稠密大氣層隕毀衛(wèi)星在天空中運(yùn)行了92天，繞地球約1400圈，行程6000萬(wàn)千米，于1958年1月4日隕落為了紀(jì)念人類進(jìn)入宇宙空間的偉大時(shí)刻，前蘇聯(lián)在莫斯科列寧山上建立了一座紀(jì)念碑，碑頂安置著這個(gè)人造天體的復(fù)制品萬(wàn)有引力定律發(fā)現(xiàn)的思路及定律的推導(dǎo)和意義A萬(wàn)有引力定律是牛頓在前人作出的科學(xué)基礎(chǔ)上作出的偉大發(fā)現(xiàn)牛頓的發(fā)現(xiàn)還在于他有正確的科學(xué)思想和超凡的數(shù)學(xué)能力B行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道可以近似地看作是圓形軌道，我們把牛頓在橢圓軌道上的推導(dǎo)，簡(jiǎn)化為圓形軌道上的勻速圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)行星繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，認(rèn)為是太陽(yáng)對(duì)行星的引力：在勻速圓周運(yùn)動(dòng)中 ，將此代入上式，

15、得根據(jù)行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的開普勒第三定律， 常量；可見太陽(yáng)對(duì)行星的吸引力跟行星的質(zhì)量（m）成正比，跟行星到太陽(yáng)的距離二次方（ ）成反比根據(jù)牛頓第三定律，太陽(yáng)對(duì)行星的吸引跟行星對(duì)太陽(yáng)的吸引力大小相等、方向相反、具有相同的性質(zhì)；因此，太陽(yáng)跟地球間的相互吸引力不僅跟地球質(zhì)量成正比，還應(yīng)該跟太陽(yáng)的質(zhì)量（設(shè)為 ）成正比；所以可以把太陽(yáng)和行星的相互吸引力寫成請(qǐng)注意：這里的指導(dǎo)思想是太陽(yáng)與行星在相互作用中的地位是平等的！牛頓又進(jìn)一步研究了月球繞地球的運(yùn)動(dòng)，證明了月球與地球間的引力跟行星與太陽(yáng)間的引力遵循同樣的規(guī)律；他還通過計(jì)算，驗(yàn)證了地面上的重力與地球吸引月球的力是同一性質(zhì)、遵守相同規(guī)律的C萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)，

16、揭示了宇宙萬(wàn)物之間普遍存在的一種基本相互作用的規(guī)律，證明了自然界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，規(guī)律是可以被認(rèn)識(shí)的；證明了人類不僅有能力認(rèn)識(shí)世界，而且在認(rèn)識(shí)世界的過程中能夠創(chuàng)造方法、積累知識(shí)，在實(shí)踐中運(yùn)用知識(shí)改造世界，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，推動(dòng)科學(xué)文化不斷向前發(fā)展習(xí)題精選1、關(guān)于第一宇宙速度，下列說(shuō)法哪些是正確的？（ ）A、它是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)行速度B、這是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度C、它是人造衛(wèi)星繞地球飛行所需的最小水平發(fā)射速度D、它是人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)行速度2、偵察衛(wèi)星在通過地球兩極上空的圓軌道上運(yùn)行，它的運(yùn)行軌道距地面高度為 ，要使衛(wèi)星在一天的時(shí)間內(nèi)將地面上赤道各處

17、在日照條件下的情況全都拍攝下來(lái)，衛(wèi)星在通過赤道上空時(shí)，衛(wèi)星上的攝像機(jī)至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長(zhǎng)是多少？設(shè)地球的半徑為 及地面處的重力加速度為 ，地球自轉(zhuǎn)的周期為 。3、1999年11月20日我國(guó)發(fā)射了“神舟”號(hào)載人航天試驗(yàn)飛船，飛船順利升空，在繞地球飛行一段時(shí)間后，于11月21月安全降落在內(nèi)蒙古中部地區(qū)航空航天是一個(gè)集物理、化學(xué)、生物、天文、地學(xué)、工程、氣象等多學(xué)科的綜合性工程請(qǐng)解答：(1)地球半徑 6400km，地球表面重力加速度 =9.8ms2，若使航天飛航在無(wú)推動(dòng)力作用的情祝下在離地 =140km的圓軌道上繞地球運(yùn)行？則飛行速度應(yīng)為_。(2)載人航天飛船的發(fā)射升空和降落時(shí)，如果宇航員

18、保持直立姿態(tài)，則他的心血管系統(tǒng)會(huì)受到何種影響？你認(rèn)為宇航員應(yīng)采取什么姿態(tài)？(3)在軌道上為了將燃料已燒完分開，采用引爆爆炸螺栓中的炸藥，炸斷螺栓，同時(shí)推進(jìn)火箭和載人航天飛船分別向前和向后推，在此以后( )A、火箭和航天飛船仍在同一圓軌道上運(yùn)行。B、火箭將進(jìn)人較低軌道，而航天飛船將進(jìn)入較高軌道。C、火箭將進(jìn)入較高軌道，而航天飛船將進(jìn)入較低軌道。D、火箭將成為自由落體而墜落，航天飛船仍在原軌道運(yùn)行。(4)載人航天飛船的返回艙中有多種植物種子，為什么將這些植物種子攜帶上天再帶回地面？(5)飛船的軌道艙是宇航員在軌道上進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，由于空間不大，所用儀器都要經(jīng)過精選，下列哪些儀器一般不會(huì)被選中（ ）A、水銀氣壓計(jì) B、天平 C、擺鐘 D、多用電表(6)宇航員所在軌道艙和返回艙都是密封的，宇航員吸人氧氣，呼出二氧化碳；如果二氧化碳濃度過高，會(huì)使宇航員困乏、呼吸頻率加快，嚴(yán)重的會(huì)引起窒息，為使二氧化碳濃度降低而保持艙內(nèi)氣氧的適當(dāng)比例，可以在艙內(nèi)放人( )A、Na2O2 B、NaOC3 C、NaOH D、氧氣瓶(7)載人航天飛船返回大氣層時(shí)，由于速度很大，