人造衛星　宇宙速度
教材分析
本節重點講述了人造衛星的發射原理，推導了第一宇宙速度,并介紹了第二、第三宇宙速度。人造衛星是萬有引力定律在天學上應用的一個非常重要實例，是人類征服自然的見證，體現了知識的力量，是學生學習了解現代科技知識的一個極好素材。教材不但介紹了人造衛星中一些基本理論，更是在其中滲透了很多研究實際物理問題的物理方法。學生通過行星的運動一節已經知道了行星的運動規律，因此在分析人造衛星的運動學特點，和動力學特點可采取類比的方法，近而進一步理解應用萬有引力定律分析天體運動的方法。因此，本節是“萬有引力定律與航天”中的重點內容，是學生進一步學習、研究、探索天體物理問題的理論基礎。另外，學生通過對人類在宇宙航行領域中的偉大成就及我國在航天領域成就的了解，增強學生的民族自信心和自豪感。

學情分析
學生已掌握了運動的合成與分解、牛頓運動定律、圓周運動等節的理論。并在本之前學習了天體的運動，和萬有引力定律的知識，能運用萬有引力定律揭示一些天體運動的特點。學生可以類比行星運動的特點原理自己分析人造衛星的規律。另外學生也可以利用前面的知識和對宇宙奧秘的好奇心探索人造衛星的發射及宇宙速度。學生可以通過聯想上一所學的對平拋物體的運動的處理方法探究牛頓的思考，以地心為參考系平拋出去的物體從空間運動效果上可分解為指向地心的自由落體運動和繞地心的勻速圓周運動。而這兩個分運動都是變速度運動，它們都需要一個指向地心的力維持它們各自的運動狀態。因此萬有引力就有要改變兩個運動狀態的效果，即要既要產生自由落體加速度又要產生向加速度。當萬有引力只能提供向心力時，自由落體加速度就變成零，這樣平拋出去的物體就落不下了，從而得到第一宇宙速度。再根據圓周運動和機械運動的知識可知道速度再大一些會做橢圓運動或擺脫地球對它的約束。這樣，人們就可以到更遠的地方去探索宇宙的奧秘了……

教學目標
知識與技能
1．了解人造衛星的有關知識
2．分析人造衛星的運動規律
3．掌握三個宇宙速度的物理意義，
4．會推導第一宇宙速度；
5．簡單了解航天發展史；
6．能用所學知識求解衛星基本問題。
過程與方法
1．培養學生觀察數據分析數據的能力；
2．培養學生科學推理、探索能力；
3．培養學生在處理實際問題時，如何 構建物理模型的能力；
4．學習科學的思維方法培養學生歸納、分析和推導及合理表達能力。
情感態度與價值觀
介紹世界及我國航天事業的發展現狀，激發學習科學，熱愛科學的激情，增強民族自信心和自豪感。
教學重點：
衛星運行的動力學特點規律，第一宇宙速度的推導。

教學難點：
1．衛星的運行速度與發射速度的區別；
2．第一宇宙速度是衛星發射的最小速度，是衛星運行的最大速度
教學過程　
新引入
　　教師：仰望星空，浩瀚的宇宙蒼穹給人以無限遐想，千百年，人類一直向往能插上翅膀飛出地球，去探索宇宙的奧秘，李白的“俱懷逸興壯思飛，欲上青天攬明月”是怎樣的一種豪情？到今天這一夢想實現了嗎？
　　學生：實現了。（激起學生興趣）
　教師：世界上第一顆人造衛星的發射，揭開了人類探索宇宙的新篇。
　　提問（1）：1．世界上第一顆人造衛星是哪一年由哪一國家發射的？
　　2．我國哪一年發射了自己的人造衛星？
　　3．迄今我國共發射了多少顆人造衛星？
　教師：從1970年4月24日東方紅一號的成功發射，到2007年10月24日嫦娥一號發射
　我國發射人造衛星和其他探測器60多個，他們分別在通信，氣象，探測，導航等多個領域發揮著重要作用。
引入新。
一、人造衛星規律的探究
　　教師：現在我們地球上空有這么多衛星，他們運行的速度一樣嗎？他們是怎樣被發射升空的今天我們就通過的學習解決這一問題。
　　教師：這是我國目前發射的部分衛星的運行規律的數據。
　　提問觀察數據思考：
　　1．不同衛星的其運行軌道相同嗎？
　　2．不同的衛星運行時有什么規律？
　　3．你能試著用你學過的知識解釋為什么有這樣的規律嗎？
衛星名稱衛星質量（kg）軌道近地點（km）軌道遠地點（km）運行周期（h）
返回型遙感衛星2100205 315 1．48
東方紅2號甲通信衛星44135786 35863 23．9
東方紅2號試驗通信衛星46135469 35782 23．76
返回型遙感衛星2100175 400 1．5
風云1號A750900 901 1．7
巴達爾150210 992 [高考資網S5U]1．57
大氣1號　873 900 1．712

　　學生：1．觀察數據，發現規律。

　　2．合作交流，類比行星運動特點分析人造衛星的運行特點。

　　3．試著從力和運動的角度分析問題。
　　教師引導學生發現。
　　人造衛星運行特點運動學特點：（板書）
　　1．軌跡：橢圓 有的近似為圓
　　2．人造衛星的半徑不同，其運行的周期也不同，而且半徑越大，其周期越大。
　　3．類比行星運動分析原因，衛星圍繞地球作勻速圓周運動，需要向心力。
　　地球和衛星之間的引力提供向心力。
　　4．學生自己應用前面萬有引力知識分析
　　衛星與地球間的萬有引力提供了向心力（板書）
　�。�1）由 得 ，
　　∴r越大，v越�。�
　�。�2）由 得 ，
　　∴r越大， 越�。�
　　（3）由 得 ，
　　∴r越大，T越大
　　教師小結：衛星繞地運轉軌道半徑越大，速度越小、角速度越小、周期越大；（板書）
　　演示：幾顆不同軌道衛星同時繞地運行動畫,從而直觀判斷以上變化關系
　　
二、應用知識解決問題
　　教師：學習了衛星的相關知識，我判斷一下下列幾種軌道哪一種是可能的為什么？
　　思考問題1：
　　下圖中，有三顆人造地球衛星圍繞地球運動，它們運行的軌道

　　可能是 ，不可能是 。
　　學生：分組討論闡述觀點
　　教師：結合學生討論引導學生從動力學角度解決問題。
　　衛星近似做勻速圓周運動，需要向心力，且向心力時刻指向圓心。所以地球與衛星之間指向地心的萬有引力提供向心力，所以衛星作圓周運動的圓心應該是地心。
　　思考問題2：
　　如圖所示，a、b、c是在地球大氣層外圓形軌道上運動的3顆衛星，

　　1．試比較三顆衛星的線速度、角速度、加速度、周期，萬有引力的關系。
　　2．如果c 的速度增加，能否與同軌道的b相撞。
　　
　三、衛星發射原理
　　教師：過渡：不同的軌道的衛星其速度不同，那人類是怎樣將衛星發送到指定軌道上的呢？
　　介紹牛頓的衛星設想（FLASH）
　　教師引導：我們拋一物體怎樣才能拋的遠？
　　討論：依據平拋運動學生知道：速度越大，越遠，那速度足夠大，又有什么現象？
　　學生探討：統一結論：不落回地球。
　　教師：這時由于有引力在，衛星想落回地面，但有一定的速度又落不回地面就形成了衛星？
　　思考：物體需要多大的發射速度，才能剛好貼著地面轉？
　學生討論
　　教師點撥：這時（r=R）
　　學生
　　
　　得出第一宇宙速度7．9 km/s
四、宇宙速度
　　1．第一宇宙速度7．9 km/s
　　定義：人造衛星在地面附近繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度。
　思考：發射什么樣的衛星最容易？
　ks5u
　　統一結論：高軌道發射衛星比低軌道發射衛星困難，原因是高軌道發射衛星時火箭要克服地球對它的引力做更多的功。
　　以第一宇宙速度發射衛星時其剛好能在地球表面附近作勻速圓周運動；如果衛星的速度小于第一宇宙速度，衛星將落到地面而不能繞地球運轉；
　　進入半徑越大的軌道，所需要的發射V 越大。
　　思考：這與剛才得出的半徑越大的軌道，所需要的 運行速度V 越小矛盾嗎？
　　討論：
　　人造衛星的發射速度與運行速度是兩個不同的概念。
　�。�1）發射速度
　　所謂發射速度是指被發射物在地面附近離開發射裝置時的初速度，并且一旦發射后就再無能量補充，被發射物僅依靠自己的初動能克服地球引力上升一定的高度，進入運動軌道。要發射一顆人造地球衛星，發射速度不能小于第一宇宙速度。若發射速度等于第一宇宙速度，衛星只能“貼著”地面近地運行。如果要使人造衛星在距地面較高的軌道上運行，就必須使發射速度大于第一宇宙速度。
　�。�2）運行速度：是指衛星在進入運行軌道后繞地球做勻速圓周運動的線速度。當衛星“貼著”地面運行時，運行速度等于第一宇宙速度。根據 可知，人造衛星距地面越高（即軌道半徑r越大），運行速度越小。實際上，由于人造衛星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛星的實際運行速度一定小于發射速度。
（板書）運行速度 指衛星在穩定的軌道上繞地球轉動的線速度
　　發射速度 指被發射物體離開地面時的水平初速度
　　類比得出：
　�。ò鍟�）2．第二宇宙速度（脫離速度）：
　　
　　①意義：使衛星掙脫地球的引力束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發射速度。[s5u]
　�、谌绻�人造天體的速度大于11．2km/s而小于16．7km/s，則它的運行軌道相對于太陽將是橢圓，太陽就成為該橢圓軌道的一個焦點。
　�。ò鍟�）3．第三宇宙速度（逃逸速度）：
　�、僖饬x：使衛星掙脫太陽引力束縛的最小發射速度。
　　②如果人造天體具有這樣的速度并沿著地球繞太陽的公轉方向發射時，就可以擺脫地球和太陽引力的束縛而邀游太空了。
　　這個速度目前能做到嗎？教師介紹以第三速度發射的探測器，先驅者一號。
　　教師小結：只有你想不到的，沒有你做不到的。
　　隨著科學技術的發展，我們探測太空的腳步會越走越快，越走越遠。也許有一天我們也能到其它星球旅游定居。
　　但是今天我們就必須掌握一些必備知識。也就是我們這節的重點。

分層練習：
　C類
　1．關于第一宇宙速度，下面說法：①它是人造衛星繞地球飛行的最小速度；②它是發射人造衛星進入近地圓軌道的最小速度；③它是人造衛星繞地球飛行的最大速度；④它是發射人造衛星進入近地圓軌道的最大速度。以上說法中正確的有（　�。�

　　A．①② 　　B．②③ 　　C．①④ 　　D．③④

　B類
2．對于繞地球做勻速圓周運動的人造地球衛星，下列說法正確的是（　�。�

　　A．人造地球衛星的實際繞行速率一定大于7．9km/s

　　B．從衛星上釋放的物體將作平拋運動

　　C．在衛星上可以用天平稱物體的質量

　　D．我國第一顆人造地球衛星（周期是6．84×103s）離地面高度比地球同步衛星離地面高度小

　A類
3．三顆人造地球衛星A、B、C在同一平面內沿不同的軌道繞地球做勻速圓周運動，且繞行方向相同，已知RA＜RB＜RC 。若在某一時刻，它們正好運行到同一條直線上，如圖所示。那么再經過衛星A的四分之一周期時，衛星A、B、C的位置可能是（　�。�

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