高一物理新课程教学设计方案 人造卫星 宇宙速度高品质版

北京市第八十中学 物理组 陈跃龙

第四节 人造卫星 宇宙速度

【设计思想】

本节重点介绍的是万有引力定律在航天领域的应用，通过对行星绕恒星的运动及卫星绕行星的运动的研究，初步掌握研究此类问题的基本方法；对人造卫星的发射、运行等状况有初步了解，在头脑中建立起较正确的图景，加深对人造卫星运行规律及宇宙速度概念的理解；通过学习万有引力定律在天文学上的应用，能够用自己所学的物理知识解决有关天体问题；通过了解世界和中国的航天事业的发展，增强学生的爱国主义热情。

本节的第一宇宙速度的推导、卫星的运行速度与轨道半径的关系的讨论，结合了圆周运动和动力学知识，既是教学的重点，也是本节的难点内容，要在“提出问题，学生讨论”的基础上，还要加强思维引导，使学生能建立正确的思维方式，努力形成正确的分析思路。

（一）教学目标

【知识与技能】

1．了解人造卫星的有关知识。

2．知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 3．理解卫星的运行速度与轨道半径的关系。 4．了解地球同步卫星的规律。 【过程与方法】

1．通过万有引力定律推导第一宇宙速度，培养学生运用知识解决问题的能力。

2．通过人造卫星的加速度、速度、角速度、周期跟轨道半径的关系的讨论，进一步理解卫星的有关规律。

【情感、态度与价值观】

1．通过介绍我国在卫星发射方面的情况，激发学生的爱国热情。 2．感知人类探索宇宙的梦想，促使学生树立献身科学的人生价值观。

（二）教学重点与难点

【教学重点】

1．第一宇宙速度的推导。

2．运行速率与轨道半径之间的关系 【教学难点】

1．第一宇宙速度的推导。

2．运行速率与轨道半径之间的关系。

（三）教学内容的变化

1．新教材增加了简单地介绍人造地球卫星从设想的提出，到成功发射的历程，并且揭示了人造地球卫星在通信、导航、收集气象数据和其他许多领域内的科学研究的应用，加强了学生生活与现代社会及科技发展的联系，使学生更加关注物理学的技术应用所带来的社会问题，更加关注科学技术的现状及发展趋势。

2．新教材在本节书的后面，增加了“发展空间”，其中的《同步卫星》，详实的介绍了同步卫星的基本参数以及同步卫星的两种发射方法，开拓了学生的视野，发展了学生的好奇心；结合圆周运动的知识对同步卫星的变轨发射的进一步讨论，可以提高学生的求知欲，发展科学探索兴趣，学习科学的探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，体现了新课标的总体目标要求。

教学流程：

教师提出探 讨的问题，导入新课 课堂总结 课堂练习

学生小结：万有引力定律在天文学上的应用 由平抛运动规律，引导学生思考，导入人造卫星的教学 由万有引力提供向心力规律，推导人造卫星的运行线速度、角速度、周期及加速度与r关系 提出同步卫星的概念，学生探究其运行规律及特点 拓展出第二、第三宇宙速度的概念 探究发射速度与运行速度的区别。提出第一宇宙速度的概念，并由学生讨论其计算方法 课外作业：收集有关我国发射卫星的资料，探究其运行特点 （四）教学过程

一、导入新课

上节课我们学习了万有引力定律在天文学上的应用。现在请同学们回忆下列问题. 1．万有引力定律在天文学上有何作用？

2．如何应用万有引力定律计算天体的质量？能否计算环绕天体的质量？ ［学生活动］经过思考，回答上述问题。 ［总结］

1．应用万有引力定律可以估算天体的质量；可以来发现未知天体.

2．应用万有引力定律求解天体质量时，我们可以用下面三个方程求解： F引=F向心 ① F引=mg ② mg=F向心 ③

二、新课教学

请同学们阅读课文第二自然段，同时思考下列问题. 1．在地面水平抛出的物体为什么要落回地面？ 2．什么叫人造地球卫星？

［学生活动］阅读课文，从课文中找出相应的答案。 ［总结］

1．在地面上水平抛出的物体，由于受到地球引力的作用，所以最终都要落回到地面。 2．如果在地面上水平抛出一个物体时的速度足够大，那么它将不再落回地面，而成为一个绕地球运转的卫星，这个物体此时就可认为是一颗人造地球卫星。 深入探究

1．月球也要受到地球引力的作用，为什么月亮不会落到地面上来？ 2．物体做平抛运动时，飞行的距离与飞行的水平初速度有何关系? 3．若抛出物体的水平初速度足够大，物体将会怎样？ ［学生活动］分组讨论，得出结论。 ［总结］

1．由于月球在绕地球沿近似圆周的轨道运转，此时月球受到的地球的引力(即重力)，用来充当绕地运转的向心力，故而月球并不会落到地面上来。

2．由平抛物体的运动规律知： x=v0t ①

t=

2h g ②

联立①、②可得： x=v0

2h g即物体飞行的水平距离和初速度v0及竖直高度h有关，在竖直高度相同的情况下，水平距离的大小只与初速度v0有关，水平初速度越大，飞行得越远。

3．当平抛的水平初速度足够大时，物体飞行的距离也很大，由于地球是一圆球体，故物体将不能再落回地面，而成为一颗绕地球运转的卫星。

1．人造卫星 （1）人造卫星

人造卫星是人类发射的绕地球运转的人造天体，它绕地球运行的动力学原因是受到地球的万有引力。

当卫星沿圆形轨道运动时，其所需要的向心力由地球施与的万有引力提供。 （2）人造卫星运行规律

设卫星（质量为m）绕地球（质量为m′）做匀速圆周运动，则所需要的向心力由地球施与的万有引力提供，即

Gm?mv22π22?m?mr??mr() 2rrT由上式得：

①卫星运行的线速度v=

Gm? r即v∝

1，不同轨道有不同的运行速度，轨道半径r越大，线速度v越小； rGm/②卫星运行的角速度ω= 3r即ω∝

1，不同轨道有不同的角速度，轨道半径r越大，角速度ω越小； 3r4π2r3③卫星运行的周期T=

?Gm3即T∝r，不同的轨道有不同的运行周期，轨道半径r越大，周期T越大.

④卫星运行的加速度由G即：a∝

m?mm?=ma得a=G r2r21，不同轨道有不同的向心加速度，轨道半径r越大，向心加速度越小。 r2（3）人造卫星的发射速度和环绕地球的运行速度 这两个速度的概念是不同的。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，而运行速度是指卫星在进入轨道后绕地球运动的线速度。

（4）人造卫星的超重和失重

卫星在发射升空过程中，有一段加速运动；在返回地球时，有一段减速运动，在这两段运动过程中，加速度方向向上，处于超重状态，卫星在轨道上运行时，具有方向向下的加速度，处于失重状态。当卫星沿轨道做匀速圆周运动时，其加速度等于卫星所在处的重力加速度g=

Gm?。此时，卫星中的物体处于完全失重状态。 2r2．宇宙速度

（1）第一宇宙速度

①第一宇宙速度（环绕速度）：是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度，是人造地球卫星的最小发射速度。

②推导：

方法1：由于地球对卫星的万有引力是卫星环绕运动的向心力

m?mv2所以G2?m

rR式中R取地球半径r=6400km，m′为地球质量m′=6×1024 kg，m为卫星质量，v是卫

星环绕地球的速度。

v=

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