高中物理教科版 (2019)必修 第二册第三章 万有引力定律4 人造卫星宇宙精品ppt课件

人造卫星 宇宙

【教学目标】

1．认识人造卫星的有关知识及运动规律。

2．理解人造卫星的发射原理及宇宙速度的推导。

3．结合圆周运动知识求解天体运动的相关物理量。

【教学重点】

1．认识人造卫星的有关知识及运动规律。

2．结合圆周运动知识求解天体运动的相关物理量。

【教学难点】

会理解人造卫星的发射原理及宇宙速度的推导。

【教学过程】

一、情境导入

地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。你知道是谁率先提出了制造并发射人造地球卫星的设想吗？

二、新知学习

（一）从幻想到现实——人造卫星

1．卫星是一些自然的或人工的在太空中绕行星运动的物体。

2．人造卫星用于通信、导航、侦察、收集气象数据和其他许多领域内的科学研究。

（二）宇宙速度

1．第一宇宙速度：使卫星能环绕地球运行所需的最小发射速度，其大小为v1＝7.9 km/s，又称环绕速度。

2．第二宇宙速度：使人造卫星脱离地球的引力束缚，不再绕地球运行，从地球表面发射所需的最小速度，其大小为v2＝11.2 km/s，又称脱离速度。

3．第三宇宙速度：使物体脱离太阳的束缚而飞离太阳系，从地球表面发射所需的最小速度，其大小为v3＝16.7 km/s，也叫逃逸速度。

【想一想】

如果要发射一个火星探测器，试问这个探测器将大体以多大的速度从地球上发射？

提示：火星探测器绕火星运动，脱离了地球的束缚，但没有挣脱太阳的束缚，因此它的发射速度应在第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，即11.2 km/s<v<16.7 km/s。

三、重难点突破

（一）对宇宙速度的理解

1．第一宇宙速度的两种推导方法

（1）由万有引力提供向心力得G＝m，所以卫星的线速度v＝，第一宇宙速度是指物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，则当r＝R时得第一宇宙速度v＝ ＝7.9 km/s（M为地球质量，R为地球半径）。

（2）对于近地卫星，重力近似等于万有引力，mg＝得v＝＝7.9 km/s，g为地球表面的重力加速度。

2．发射速度和运行速度

（1）发射速度：发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度，一旦发射后再无能量补充。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。由于在人造地球卫星发射过程中火箭要克服地球引力做功，所以将人造地球卫星发射到越远的轨道，在地面上所需的发射速度就越大。

（2）运行速度：运行速度是指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度，当卫星“贴着”地面飞行时，运行速度等于第一宇宙速度，当卫星的轨道半径大于地球半径时，由v＝得运行速度小于第一宇宙速度。

【特别提醒】

（1）第一宇宙速度是最大运行速度，也是最小发射速度。

（2）三个宇宙速度分别为在三种不同情况下在地面附近的最小发射速度。

【方法总结】

根据匀变速运动规律求解重力加速度，再根据重力提供向心力求解第一宇宙速度。

（二）人造地球卫星

1．人造卫星的轨道

卫星绕地球做匀速圆周运动时由地球对它的万有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指向地心。而做匀速圆周运动的物体的向心力则时刻指向它做圆周运动的圆心。因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道和通过两极点上空的极地轨道。当然也应存在着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆心在地心，就可能是卫星绕地球运行的圆轨道。

2．人造卫星的超重与失重

（1）人造卫星在发射升空时，有一段加速运动；在返回地面时，有一段减速运动。这两个过程中加速度方向都向上，因而都是超重状态。

（2）人造卫星在沿圆轨道运行时，由于万有引力提供向心力，所以处于完全失重状态。在这种情况下，凡是与重力有关的力学现象都会停止发生。

3．卫星绕地球运动的向心加速度和物体随地球自转的向心加速度的比较

卫星绕地球运动的向心力完全是由地球对卫星的万有引力提供，＝ma1，a1＝。而放在地面上的物体随地球自转所需的向心力是由万有引力的一个分力提供，＞ma，只能用a＝ω2R计算，其中ω为地球自转的角速度，R为地球的半径。两个向心力的数值相差很多。

【特别提醒】

（1）在处理卫星的v、ω、T与半径r的关系问题时，常用公式“gR2＝GM”来替换出地球的质量M，会使问题解决起来更方便。

（2）卫星从低轨道升至高轨道时需要加速，万有引力小于向心力，做离心运动。