教学设计：高中课程标准.物理（人教版）必修2
主 备 人：邵维灵 学科长审查签名：
一、内容及其解析
1、内容：知道环绕速度和发射速度的区别以及人类是怎样探索和发现宇宙的奥秘的。
2、解析：人造卫星的发射原理，可结合竖直平面内的圆周运动，根据万有引力提供卫星绕地球运转的向心力，推导出第一宇宙速度，理解第一宇宙速度是发射卫星的最小发射速度，是卫星环绕的最大速度，同时了解第二、三宇宙速度的物理意义.卫星的线速度、角速度和周期与轨道半径的关系，同样满足一般圆周运动的各量之间的关系，注意理解同步卫星，有哪些参量是确定的.
二、目标及其解析
1.了解人造地球卫星的最初构想.
2.分析人造地球卫星的受力和运动情况.
3.知道三个宇宙速度的含义和数值.
4.会推导第一宇宙速度.
三、教学问题诊断分析
学生很难区分环绕速度和发射速度。
四、教学支持条件分析
先让学生区分环绕速度和发射速度，然后才能理解“第一宇宙速度是最小发射速度，同时也是最大环绕速度”。
五、教学过程设计
1、教学基本流程
复习万有引力公式和向心力公式→推导第一宇宙速度→介绍环绕速度和发射速度的区别→理解“第一宇宙速度是最小发射速度，同时也是最大环绕速度” →练习、小结
2、教学情景
问题1.卫星的绕行线速度、角速度、周期与半径r的关系？
（1）由G，得v=，得r越大，v越小.
（2）由G=mω2r，得ω=，得r越大，ω越小.
（3）由G，得T=，得r越大，T越大.
问题2.讨论天体（包括人造卫星）运动规律的基本思路？
（1）万有引力全部提供人造地球卫星绕地球做圆周运动的向心力，因此所有的人造地球卫星的轨道圆心都必定在地心.
（2）人造卫星的轨道半径与它的高度不同.
（3）离地面高度不同，重力加速度不同，设离地球表面高为h处，重力加速度为g′，地面处重力加速度为g，地球半径为R，则：=mg，G=mg′
故g′= g.
问题3.什么叫宇宙速度？怎样推导第一宇宙速度？
方法一：地球的质量为M，地球半径为R地，引力常量为G，物体在地球表面绕地球做匀速圆周运动时，R=R地，万有引力提供向心力，即G
故：v1=.
方法二：在地球表面附近物体的重力等于万有引力 即：mg=G，
那么物体绕地球做匀速圆周运动需要的向心力也就等于重力，即mg=m，
故v1= （g为地球表面的重力加速度）
（2）说明：
a、第一宇宙速度的大小v1=7.9 km/s，它是发射卫星的最小速度，也是人造卫星绕地球做匀速圆周运动时的最大运行速度.
b、第二宇宙速度：v2≥11.2 km/s，又叫做地面附近的逃逸速度，即物体克服地球的引力，永远离开地球时的速度.
c、第三宇宙速度：v3≥16.7 km/s，即物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的空间所必须具有的速度.
例1：若取地球的第一宇宙速度为8 km/s，某行星的质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，这行星的第一宇宙速度约为 （ ）
A.16 km/s B.32 km/s
C.4 km/s D.2 km/s
设计意图： 此类题要结合第一宇宙速度的计算公式进行对比分析来计算.
解析： 由G=m得v=.
因为行星的质量M′是地球质量M的6倍，半径R′是地球半径R的1.5倍.即M′=6M，R′=1.5R得：
=2
即：v′=2v=2×8 km/s=16 km/s.答案为A.
思维总结：计算第一宇宙速度有两种方法：
（1）由G=得：v=
（2）由mg=m得：v=.
拓展练习1-1： 人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速率 （ ）
A.一定等于7.9 km/s B.等于或小于7.9 km/s
C.一定大于7.9 km/s D.介于7.9 km/s和11.2 km/s之间
例2：已知一颗近地卫星的周期为5 100 s，今要发射一颗地球同步卫星，它距地面高度为地球半径的多少倍？
设计意图： 近地卫星和同步卫星绕地球做匀速圆周运动所需向心力都是由万有引力提供，所以可以用两种卫星的对称性来求解.
解析： 对于近地卫星，根据万有引力提供向心力，有：
G=m（）2R ①
对于同步卫星有：G=m′（）2（R+h） ②
联立①②得：
即-1
又T1=5 100 s，T2=24×3 600 s，所以=5.6.
答案： 5.6倍
思维总结：地球所有的同步卫星轨道平面均在赤道平面内，同时轨道半径、环行速度运转周期均相同，并且T=24小时，h=3.6×104 km，v=3.08×103 m/s.
拓展练习2-1： 关于地球同步卫星的下述说法中，正确的是（ ）
A.同步卫星要和地球自转同步，它离地面的高度和环行速度都是确定的
B.同步卫星的角速度和地球自转角速度相同，但同步卫星的高度和环行速度可以选择
C.同步卫星在地球上空的纬度可以选择
D.同步卫星的轨道在地球赤道面内
例3：2005年10月12日9时，是我国自主研制的“神舟六号”载人飞船顺利升空的时刻，这是我国继“神五”之后的第二次载人航天飞行，“神六”刚入轨时在近地点200公里，远地点347公里的椭圆轨道上运行，第五圈变轨为距地面343公里的圆轨道，“神六”的运行可以说是“地面一昼夜飞船十六天”，下面有关“神六”的说法正确的是（ ）
A.“神舟五号”和“神舟六号”各自的圆轨道半径的立方和周期的平方的比值是相同的
B.已知飞船的圆轨道半径和周期可以计算地球质量
C.飞船圆轨道绕行速度约为7.82 km/s，小于第一宇宙速度，其原因是轨道半径太小
D.飞船在圆轨道准备返回地面时要沿飞行方向的反方向喷火以使飞船加速做近地飞行
设计意图： 在分析过程中出现了半径和周期，我们也可用开普勒第三定律来进行分析计算.
解析： 由开普勒第三定律得=k，k是一个和中心天体质量有关的常量，故A项正确；根据G=mr得：若已知飞船的圆轨道半径和周期可以计算地球质量，故B项正确；由公式v=知：半径越大，绕行速度越小，故C项错误；若沿飞行的反方向喷火，则飞船将加速，万有引力不足以提供向心力，飞船将做离心运动，故D项错误.答案为AB.
思维总结：（1）使飞船加速，飞船将远离地球，再次做圆周运动时的半径变大，线速度减小.
（2）使飞船减速，飞船的轨道半径减小，其动能反而增大，再次做圆周运动时的半径变小，线速度增大.
拓展练习3-1： 一颗人造卫星在地面上以速度v发射后，可绕地球运动，若使发射速度变为2v，则该卫星可能（ ）
A.绕地球做匀速圆周运动，周期变大
B.绕地球运动，轨道变为椭圆
C.不绕地球运动，成为绕太阳运动的人造卫星
D.挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙
六、目标检测
1、地球对周围的物体有 的作用，因而抛出的物体要 .但是抛出的初速度越大，物体就会飞得越 .如果没有 ，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上，将围绕地球运转，成为一颗绕地球运动的 .
2、第一宇宙速度的表达式是 和 .
3、要使人造卫星绕地球运行，它进入地面附近的轨道速度必须等于或大于 km/s，并且小于 km/s，要使卫星脱离地球引力不再绕地球运行，成为人造行星，必须使它的速度等于或大于 km/s；要想使它飞到太阳系以外的地方去，它的速度必须等于或大于 km/s.
4、地球同步卫星的 与地球的 相同.
配餐作业
从下列三组题中任意选择两组题完成，建议选择AB或BC
A组题
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.它是能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近地点的速度
2.下列说法正确的是 （ ）
A.在经典力学中，物体的质量不随运动状态而改变，在狭义相对论中，物体的质量也不随运动状态而改变
B.在经典力学中，物体的质量随运动速度的增加而减小，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大
C.在经典力学中，物体的质量是不变的，在狭义相对论中，物体的质量随物体速度的增大而增大[Ks5u.com]
D.上述说法都是错误的
3.在人造地球卫星中，下述哪些仪器不能使用 （ ）
A.天平 B.弹簧秤
C.水银温度计 D.水银气压计
4.用m表示地球通信卫星（同步卫星）的质量，h表示它离地面的高度，R表示地球的半径，g表示地球表面处的重力加速度，ω表示地球自转的角速度，则通信卫星所受万有引力的大小为 （ ）
A.零 B.m[Ks5u.com]
C.m D.以上结果都不正确
设计意图：基础知识练习
B组题
5.人造地球卫星的轨道半径越大，则 （ ）
A.速度越小，周期越小
B.速度越小，加速度越小
C.加速度越小，周期越大
D.角速度越小，加速度越大
6.人造卫星由于受到大气阻力，其轨道半径逐渐减小，其相应的线速度和周期的变化情况是 （ ）
A.速度减小，周期增大
B.速度减小，周期减小
C.速度增大，周期增大
D.速度增大，周期减小
7.航天飞机中的物体处于失重状态，是指这个物体 （ ）
A.不受地球的吸引力
B.地球吸引力和向心力平衡
C.对支持它的物体的压力为零
D.受地球的吸引力减小了
8.自1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星以来，人类的活动范围逐步扩展，现在已成功地把人造天体送到火星上漫步，我国也已实现载人航天飞行，并着手实施登月计划，下列有关人造天体的说法正确的是 （ ）
A.卫星的轨道越高，则其运转速度越大，周期越大
B.做匀速圆周运动的载人空间站中，宇航员受力的作用，但所受合外力为零
C.做匀速圆周运动的载人空间站中，宇航员不能通过做单摆的实验测定空间站中的加速度
D.若地球没有自转，地球将没有同步卫星
9.可以发射一颗这样的人造地球卫星，使其圆轨道 （ ）
A.与地球表面上某一纬度线（非赤道）是共面同心圆
B.与地球表面上某一经度线所决定的圆是共面同心圆
C.与地球表面上的赤道线是共面同心圆，且卫星相对地球表面是静止的
D.与地球表面上的赤道线是共面圆心圆，但卫星相对地球表面是运动的
10.地球同步卫星到地心的距离r可由r3=求出.已知式中a的单位是m，b的单位是s，c的单位是m/s2，则 （ ）
A.a是地球半径，b是地球自转的周期，c是地球表面处的重力加速度
B.a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度
C.a是赤道周长，b是地球自转周期，c是同步卫星的加速度
D.a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处的重力加速度
设计意图：提高学生对基础知识的理解、运用能力
C组题
11.已知火星的半径是地球半径的一半，火星质量是地球质量的，若在地球上质量是50 kg的人到火星上去.求：
（1）在火星上此人所受的重力多大？
（2）此人在地球上可跳1.5 m高，他在火星上可跳多高？（g取10 m/s2）
12.国际通迅“同步卫星”位于赤道上空，相对地面静止，若地球的质量为6×1024kg，赤道半径为6 400 km，求：
（1）同步卫星高度是多少千米？
（2）同步卫星绕地球运行速度是多少？
设计意图：提高部分学生的能力
[ks5u.com]
教学反思：
【点此下载】