高中物理备课资料卡 宇宙速度素材.doc

高中物理备课资料卡宇宙速度素材【课标内容对照(沪科J)《课程标准》的要求*(沪科J)会计算人造卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。*(沪科J)体会科学研究方法对人们认识自然的重要作用。举例说明物理学的进展对于自然科学的促进作用。【相关知识准备】(沪科J)5．4节主要是学习人造卫星的环绕原理理解第一宇宙速度了解第二和第三宇宙速度了解人类冲出地球、飞向宇宙的艰难历程和伟大成就同时了解我国航天工作者的丰功伟绩。(沪科K)万有引力定律的发现不仅解决了天上行星的运行问题．也为人们开辟了上天的理论之路。(沪科K)现代火箭航大技术先驱、俄国科学家家齐奥尔科夫斯基曾说过：“地球是人类的摇篮人类绝不会永远躺在这个摇篮里而会不断地探索新的天体和空间。”1957年10月4日苏联用三级火箭发射了世界上第一颗人造地球卫早——“旅行者”l号人类开始迈入航天时代。(沪科K)2003年10月15日。“神舟”5弓飞船载着中国第一位航天员杨利伟成功升空标志着我国进入了载人航天时代。牛顿提出一个著名的思想实验：从高山顶水平抛出一个铅球当抛出速度足够大时铅球将环绕地球运动成为一个“小月亮”。(沪科J)教学中应要求学生用图5—15分析：牛顿作出这样设想的依据是什么?使学生体验比较明确的分析推理过程。）(沪科J)用图5—14激发学生的热情引出“卫星为什么能环绕地球运行不会掉到地上”的问题再用图5—15牛顿的预言作出猜测使学习过程具有探究性。第一宇宙速度(沪科K)卫星要具有多大的速度才能环绕地球运动呢?(沪科K)分析论证人造卫星就像——个小月亮能在一定的轨道上绕地球运动：为简化起见假设卫星绕地球做匀速圆周运动地球对卫星的万有引力提供卫星作匀速圆周运动所需的向心力。设地球和卫星的质量分别为M和m卫星的轨道半径为r(图5—16)则由得卫星的运动速度可见环绕地球飞行的人造卫星的速度与飞行轨道的半径有关半径越大速度越小：对于在地面附近飞行的卫星轨道半径可取地球半径。你能算出卫星的速度吗?你算的结果是7．9km/s吗?这是人造地球卫星在地面附近做匀速圆周运动必须具备的速度。这个速度叫做第一宇宙速度(firstcosmicvelocity)又叫环绕速度。你能否算出在地表附近运动的人造卫星的周期?如果在地面上空不同高度处有两颗人造地球卫星它们的运动速度跟周期的关系怎样?人造卫星上天（鲁科K）知道了行星的运动规律学习了万有引力定律现在来讨论引言中提出的问题：为什么宇宙飞船能登上月球?为什么飞船能像月亮那样围绕地球旋转?飞船在什么条件下能挣脱地球的束缚?在进一步的探索中人类会对更遥远的星球有些什么了解?在《自然哲学的数学原理》一书中牛顿用一张图解释行星能保持在某轨道运行的原因。其实这张图已隐含了飞船上天并围绕地球运行的奥秘(图5-17)。牛顿认为“由于向心力行星会沿某一轨道运动如果考虑抛体运动这一点就容易理解了：投掷一块石头该石头理应做直线运动但由于其自身重力石头离开直线路径做曲线运动最终落于地面；投掷速度越大落地点距投掷点越远。于是我们假设随着速度的不断增大石头在落地前画出1、2、5、10、100或l000英里长的弧线直至最后超出地球的限度进入空间永不回到地球。”只要抛出的速度足够大被抛出的物体就会像月球那样不再掉下来这实际上就是人造地球卫星或宇宙飞船上天的原理。问题的关键在于如何使人造卫星和飞船获得这样大的初始速度。1903年俄国科学家齐奥尔科夫斯基推导出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭公式提出了液体火箭发动机的设想首次阐述了利用多级火箭克服地球引力实现宇宙航行的构想。前苏联在1957年10月4日发射了第一颗人造地球卫星实现了齐奥尔科夫斯基的构想。我国发射人造地球卫星的水平在世界上也处于领先地位(图5-18)。要让人造地球卫星获得足够大的速度以致能像月亮那样绕地球运行通常需要多级火箭的作用。图5-19展示了多级火箭发射卫星上天使卫星进入地球轨道的大致过程。如果卫星绕地球运行的轨道可视为圆形并且卫星距地面的高度远小于地球半径则卫星轨道半径可近似为地球半径r=6．38×106m这时卫星所受地球的引力与卫星做圆周运动所需要的向心力相等。假设卫星质量为m地球质量为们m′根据向心力公式有由此可得卫星在地面附近轨道绕地球做匀速圆周运动所必需的运行速度人们称7．9km/s为第一宇宙速度(firstcosmicvelocity)也称环绕速度。当卫星具有第一宇宙速度时围绕地球的运行轨道是圆形。(人教K)牛顿在思考万有引力定律时就曾想过从高山上水平抛出物体速度一次比一次大落地点敢就一次比一次远.如果速度足够大物体注不再落回地面它将绕地球运动成为人造地球卫星(图7.5-1)现在我们就来计算这个速度应该不多大