西北师大附中高一物理教案第五节人造卫星宇宙速度.docx

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西北师大附中高一物理教案第五节人造卫星宇宙速度

课题

第五节　人造卫星　宇宙速度

教学目标

知识目标：

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．了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的几个主要天体层次。

4．了解宇宙大爆炸理论。

能力目标：

通过用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。

德育目标：

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．通过简述宇宙的产生过程，使学生明确宇宙将如何演化下去的问题需要我们不断地去探索增强学生学习物理的兴趣。

课型

新授课

课时

1课时

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。

难点

卫星运行速率与轨道半径之间的关系.

教学方法

推导法、归纳法、讲授法等综合教法进行

教具

教学过程

摘要

本节重点研究：

（1）人造地球卫星的发射原理；

（2）三个宇宙速度；（3）人造地球卫星的环绕线速度、角速度、周期；（4）同步地球卫星的发射高度。

通过对以上四个问题的研究，应使学生确切地理解，第一宇宙速度是卫星轨道半径等于地球半径时，即卫星在地面附近，环绕地球做匀速圆周运动的速度，当轨道半径r大地球半径时，卫星绕地球做匀速圆周运动的速度变小。

在实际教学时，学生常据课本图6—4所描述的情况得出离地球表面越高的地方，其运行速度越大的错误结论，对此可向学生说明：

卫星在椭圆轨道上运行时，它在各点的速度大小是不同的，在近地点速度最大，以后逐渐就小，在远地点速度最小。

虽然公式

只适用于描述做匀速圆周运动的卫星，但是由椭圆轨道上卫星的运行情况，也可以大致印证当r变大时，v变小。

引言

在高山上用不同的水平初速度抛出一个物体，不计空气阻力，它们的落地点相同吗？

它们的落地点不同，速度越大，落地点离山脚越远。

因为在同一座高山上抛出，它们在空中运动的时间相同，速度大的水平位移大，所以落地点也较远。

假设被抛出物体的速度足够大，物体的运动情形又如何呢？

学生进行猜想，讨论。

教师总结：

如果地面上空有一个相对于地面静止的物体，它只受重力的作用，那么它就做自由落体运动，如果物体在空中具有一定的初速度，且初速度的方向与重力的方向垂直，那么它将做平抛运动，牛顿曾设想过：

从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也一次比一次离山脚远，如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。

人造卫星的轨道半径和它的运动速率之间有什么关系呢？

本节课我们就来学习这个问题。

一、人造地球卫星

1．人造卫星绕地球运动的线速度、角速度和周期

问题1：

设一颗人造卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星绕地球运转的向心力由什么力提供？

你能求出卫星绕地球运动的线速度吗？

在公式中，M为地球质量，G为引力恒量，r为卫星轨道半径，此式为卫星绕地球正常运转的线速度的表达式。

问题2：

人造卫星绕地球运动的

、

、T与轨道半径r之间有什么关系呢？

分析：

由于GM一定，r越小，线速度v越大，反之，r越大，v越小。

由

得：

（1）

，半径越大，即卫星距地面越高，线速度越小；

（2）

，半径越大，角速度越小；

（3）

半径越大，周期越长，频率越小。

2．第一宇宙速度——环绕速度

问题3：

由此我们得到：

距地面越高的卫星运转速率越小，那么，是向高轨道发射困难，还是向低轨道发射卫星困难呢？

分析：

向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难，因为向高轨道发射卫星，火箭要克服地球对它的引力做更多的功。

问题4：

将卫星发射到离地心最近的轨道上，所需的最小发射速度是多大？

分析：

对于靠近地面运行的人造卫星，可以认为此时的r近似等于地球的半径R，则

，代入上式中得：

这个速度就是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，叫第一宇宙速度．

讨论：

（1）第一宇宙速度是卫星绕地球运动的最大速度还是最小速度？

（2）为什么说第一宇宙速度是发射人造卫星所需的最小速度？

第一宇宙速度

可理解成：

一是发射卫星进入最低轨道所必须具有的最小速度。

二是卫星进入轨道正常运转的最大环绕速度，即所有卫星的环绕速度均小于7.9km/s。

3．第二宇宙速度和第三宇宙速度

问题：

如果卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，此时卫星的运行轨道又如何呢？

（1）第二宇宙速度——脱离速度

当人造卫星进入地面附近的轨道速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，它绕地球运动的轨迹就不是圆形，而是椭圆。

当物体的速度等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行，这个速度叫做第二宇宙速度，也叫脱离速度。

（2）第三宇宙速度——逃逸速度

达到第二宇宙速度的物体还受到太阳的引力，如果使卫星的速度等于或者大于16.7km/s，这个速度叫做第三宇宙速度，这时卫星就会挣脱太阳的束缚而逃离太阳系，这个速度也叫逃逸速度。

二、地球同步卫星

1.周期

2.轨道距离地面的高度

3.线速度

4.角速度

小结：

三、行星、恒星、星系和宇宙

在万有引力的应用中，我们谈到了利用万有引力定律发现了海王星和冥王星，本节课我们又学习了人造卫星，那么在宇宙中还有哪些天体存在呢？

学生阅读课文，结天体的层次。

1．天体的层次

行星→恒星→星团→星系→宇宙

问题：

宇宙又是如何形成的呢？

2．宇宙的大爆炸理论及理论依据

宇宙大爆炸理论认为：

宇宙起源于约二百亿年前的一次大爆炸，爆炸初期，宇宙中现在可以看到的所有物质都聚积在一起，宇宙的密度非常大，温度非常高，随着宇宙的不断膨胀，温度逐渐下降，星系、恒星、行星、生命等逐渐形成，直至现在我们所处的这个宇宙。

现代观测表明，除了银河系附近几个星系外，几乎所有的星系都在远离银河系，而且远离的速度与距离成正比，这说明宇宙在膨胀着，这一事实为宇宙大爆炸理论奠定了基础。

学生据课文内容，想象今后的宇宙将怎样发展演化下去。

有关宇宙是怎样产生的，又将如何演化下去等问题还有许多课题需要我们不断地去研究、探索，希望同学们努力学习，将来投入到这一研究中。

四、小结

通过本节课的学习，我们知道了：

1．第一宇宙速度（环绕速度）v1=7.9km/s

2．第二宇宙速度（脱离速度）v2=11.2km/s

3．第三宇宙速度（逃逸速度）v3=16.7km/s

4．宇宙中天体的层次：

行星—恒星—星团—星系—宇宙

巩固练习：

1．关于第一宇宙速度，下面说法正确的是（）

A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度；

B．它是近地圆形轨道上人造地球卫星的运行速度；

C．它是使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度；

D．它是卫星在椭圆轨道上运行时在近地点的速度；

2．发射一个用来转播电视节目的同步卫星，应使它与地面相对静止，已知地球半径为6400km，问此卫星应发射到什么高度？

我国发射的同步卫星能否定点在北京的正上空？

（距地面的高度为h=3.6×107m；不能，同步卫星必须定点在赤道的正上空，——画图讲解。

）

3．假如一颗做匀速圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的两倍，仍做圆周运动，则：

（CD）

A．根据公式

，可知卫星运动的线速度将增大到原来的两倍；

B．根据公式

，可知卫星所需的向心力将减少到原来的二分之一倍；

C．根据公式

，可知地球提供的向心力将减少到原来的四分之一倍；

D．根据B、C中给出的公式，可知卫星运行的线速度将减小到原来的

倍。

4．宇航员坐在宇宙飞船里，试说明宇宙飞船在发射过程中宇航员为什么会产生超重现象？

当宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动时又为什么会产生完全失重现象？

5．某人造卫星距地面的高度为h，地球半径为R，质量为M，地面重力加速度为g，万有引力恒量为G。

（1）试分别用h、R、M、G表示卫星的周期T、线速度v和角速度ω。

（

）

（2）试分别用h、R、g表示卫星的周期T、线速度v、角速度ω。

（

）

布置作业：

教学后记：

关于黑洞的几个问题

  浩瀚的宇宙高深莫测，无奇不有，其中最神秘的莫过于黑洞，不管是什么东西，一旦进入它的势力范围，都会被吞吃掉，那么黑洞为什么有如此神奇的魔力呢？

要说明这个问题，必须从引力谈起，如果想从太阳表面发射宇宙飞船，飞船的速度至少要达到618km/s,才能挣脱太阳的引力，飞向另一颗恒星.如果太阳的半径从现在的70万km收缩到了3km,太阳就变成一颗超高密度的天体.虽然其质量不变，仍为两千亿亿亿吨，但其半径却缩小了20多万倍，此时30万km/s的光线也无法从太阳表面射出，这样，太阳就变成了一个黑洞.

宇宙中不仅有几个太阳质量的恒星级黑洞，还有更大的黑洞，整个银河系有着1000多亿颗恒星，它们是太阳的兄弟姐妹，天文学家推测在银河系的中心有一个大黑洞，质量为太阳的300万倍，这个大黑洞还不算宇宙中的巨洞，我们知道：

在银河系以外还有上亿个银河系的“兄弟姐妹”，它们被称为星系，在其它星系中还会有巨大的黑洞.

除了巨型黑洞外，还有微型黑洞，它只有一万亿分之一毫米，相当于最小的氢原子中的原子核大小，连电子显微镜也无法找到，然而它却比一座大山还重.

1.寻找黑洞

连光线也没本事从黑洞中逃出来，那么天文学家怎么在茫茫的太空中去“捕捉”这种身穿隐身衣的“怪物”呢？

天文学家想出一个巧妙的办法，那就是在黑洞“伸出黑手”去捕捉和吞食其他星星时，从黑洞四周的蜘丝马迹中抓住这双黑手，从而捕捉住这种怪物.

1994年，美国天文学家用哈勃望远镜对准了名为M87的星系，在这个星系中心发现一个盘状物质，其旋转速度高达160万km/s,盘中心的范围相当小，从盘的旋转速度可以推出中心的引力和质量，其质量为太阳质量的30亿倍，在如此小的范围内有这样大的质量，惟一的解释只能是黑洞，进一步的研究表明，这个宇宙巨兽已吞食了20亿颗相当于太阳质量的恒星.　哈勃空间望远镜的观测图象表明：

黑洞和星系可能是同时形成的，其后，黑洞不断吞食星系中心的恒星与其他宇宙物质，而变成更大的黑洞.

2.1994年，由德国马普学会下属的阿尔伯特·爱因斯坦研究所和美国华盛顿大学等机构的科学家组成的小组，首先借助美超级计算机模拟出了小黑洞接近大黑洞发生碰撞时，产生的强大引力波的特征波形，他们发现，质量分别为太阳15倍和10倍的两个黑洞相撞时，产生的能量将比太阳过去50亿年来产生的能量总和还要多出数千倍.

宇宙中的引力波，被形象地比喻为“宇宙纤维上的波纹”，引力波是以波动形式和有限速度传播的引力场，黑洞碰撞是引力波主要来源之一，黑洞是一种极其致密的天体，其巨大引力使光也无法逃逸，科学家认为，引力波可为研究黑洞打开一扇“窗口”.

用超级计算机事先模拟出黑洞碰撞产生引力波的特征波形，不仅能指导实际观测，还可用来对观测结果进行检验判断，专家认为：

超级计算机模拟黑洞碰撞等新型研究，有可能推动实验物理学进入一个新发展阶段.

3.1999年9月，天文学家对黑洞的搜寻又取得了新的突破，美国的科学家借助于1998年发射的“钱德拉”X射线探测卫星，在名为M82的星系中发现了一个质量相当于500个太阳的中型黑洞，这样大的新型黑洞还是首次发现，过去人类发现的黑洞不是很小，就是异常大.

黑洞有极强的引力，会吞食周围大量的宇宙物质，包括气体、尘埃等，这些气体、尘埃在黑洞强大引力作用下，以极高的宇宙速度绕黑洞旋转，形成扁平的旋转盘，在旋转过程中这些高速气体分子加速聚集，相互激烈碰撞，产生高达几百万摄氏度的高温，并发射强大的X射线.所以会出现一个极明亮的X射线天体.从这个X射线天体就能推测出这个扁平旋转盘的中心有一个中型黑洞，10分钟正是高速绕黑洞旋转的炽热气体的公转周期.

那么这种新型的中型黑洞又是怎样形成的呢？

有的天文学家有认为可能是多颗恒星在晚年分别坍缩成小型黑洞后，财合并成相当于500个太阳质量的中型黑洞，值得注意的是：

新发现的这个中型黑洞的周围广大区域正是众多恒星迅速诞生的地方，中型黑洞还可能“导演”新的太阳出世……