第5节宇宙航行教学案
【课前预习】
1.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。
如果速度足够大，物体就，它将绕地球运动，成为。
2.第一宇宙速度大小为，也叫速度。
第二宇宙速度大小为，也叫速度。
第三宇宙速度大小为，也叫速度。
3.世界上第一颗人造卫星是1957年10月4日在发射成功的，卫星质量为kg，绕地球飞行一圈需要的时间为。
世界上第一艘载人飞船是1961年4月12日发送成功，飞船绕地球一圈历时。
世界上第一艘登月飞船是1969年7月16日9时32分在发送成功，进入月球轨道；飞船在月球表面着陆；宇航员登上月球。
中国第一艘载人航天飞船在2003年10月15日9时在发送成功的，飞船绕地球圈后，于安全降落在主着陆场
【自主探究】
要点一人造地球卫星的线速度，角速度和周期与半径的关系
1．运行规律
2
2
2
2
2
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
=
=
=
T
mr
mr
r
v
m
ma
r
Mm
G
π
ω
(1)人造卫星的运行速率：v＝
当r＝R时，卫星绕地面运行，v＝= km/s
这是卫星绕地球做圆周运动的最大环绕速度．
(2)人造卫星的运行周期：T＝.
(3)人造卫星的运行角速度：ω＝.
【例题1 】如图所示，a、b、c是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星，a、b质量相同且小于c的质量，下列说法中正确的是()
A．b、c的线速度大小相等且大于a的线速度
B．b、c的向心加速度相等且大于a的向心加速度
C．b、c的周期相等且大于a的周期
D．b、c的向心力相等且大于a的向心力
要点二三个宇宙速度
1．第一宇宙速度(环绕速度)的推导：
2．第二宇宙速度(脱离速度)：大小为v＝km/s.
3．第三宇宙速度(逃逸速度)：大小为v＝km/s.
说明(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．
【例题2】．关于第一宇宙速度，下面说法中正确的是（）
A．它是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度
B．它是人造地球卫星绕地球飞行的最大速度
C．它是人造地球卫星在靠近地球表面的圆形轨道上的运行速度
D．它是发射人造地球卫星所需要的最小地面发射速度
【例题3】.金星的半径是地球的0.95倍，质量为地球的0.82倍。
那么，
（1）金星表面的自由落体加速度是多大？
（2）金星的第一宇宙速度是多大？
要点三．卫星的轨道和种类
(1)卫星的轨道
卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道．
卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，地心是椭圆的一个焦点，其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律．
卫星绕地球沿圆轨道运行时，由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力，而万有引力指向地心，所以，地心必须是卫星圆轨道的圆心．卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星)，也可以和赤道平面垂直，还可以和赤道平面成任一角度．
(2)卫星的种类
卫星的种类主要是按卫星有什么样的功能来进行命名的．主要有侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星、地球资源勘测卫星、科学研究卫星、预警卫星和测地卫星等种类．【同步卫星】
(1)卫星运动周期和地球自转周期相同(T＝24 h=8.64×104s)。
所谓地
球同步卫星，是相对于地面静止的，和地球具有相同周期的卫星，T＝24h。
(2)卫星的运行轨道在地球的赤道平面内。
如图5-4-2所示，假设卫星在轨道B 上跟着地球的自转同步地做匀速圆周运动，卫星运动的向心力由地球对它的引力F 引的一个分力F 1提供，由于另一分力F 2的作用将使卫星轨道靠向赤道，故只有在赤道上空，同步卫星才可能在稳定的轨道上运行。
(3)卫星距地面高度有确定值(约3.6X107
m )
已知T 为地球自转周期，M 、R 分别为地球质量、半径，试求同步卫星的离地面的高度？？
【例题4】．如图2所示的圆a 、b 、c ，其圆心均在地球自转轴线上，b 、c 的圆心与地心重合，对环绕地球做匀速圆周运动的卫星而言( )
图2
A ．卫星的轨道可能为a
B ．卫星的轨道可能为b
C ．卫星的轨道可能为c
D ．同步卫星的轨道一定为b 轨道面上的轨道b 的某一同心圆 【卫星的变轨问题】
1.关于宇宙飞船的变轨时应注意哪些问题？
①.宇宙飞船在绕地球在某一轨道上稳定运行时，地球对飞船的万有引力提供卫星做匀速圆周运动所需的向心力，即
22r
Mm
G r mv =，r
GM
v =，若由于某种原因使飞船的线速度v 突然增大后，此时，地球对飞船提供的万有引力不足以提供飞船沿原轨道运动所需的向心力，
即22r
Mm
G r mv 〉，因此飞船将做离心运动；离地心的距离r 将增大，在飞船离心运动的过程中，由于不断地克服地球引力做功，速度将越来越小，到新的轨道上做匀速圆周运动时，线速度将比在原轨道上的线速度小即v v 〈'。
②.同理，若由于某种原因使轨道上运行的飞船的线速度v 减小，则地球对飞船提供的万有引力超过卫星在原轨道上运行所需要的向心力，即
22r
Mm
G r mv 〈，卫星将做近心运动；随着飞船离地心距离的减小，地球对飞船的引力做正功，飞船的速度将越来越大，当r 和v 再次满足r GM
v '
'=
''时，飞船将做匀速圆周运动，此时v v 〉''。
思考与讨论：
①.当飞船在圆周轨道上做匀速圆周运动时，若飞船的速度突然加速（如飞船向后喷气），有人根据r GM
v =
得出r 应减少，这种观点错在哪里？ ②.有人说“飞船因加速而变高轨，因变高轨而速度减少； 相反，飞船因减速而变低轨，因变低轨而速度增加”这种观点有无道理？是不是有点“辩证法”呢？
【例题5】．宇宙飞船要与环绕地球运转的轨道空间站对接，飞船为了追上轨道空间站( )
A ．只能从较高轨道上加速
B ．只能从较低轨道上加速
C ．只能从与空间站同一轨道上加速
D ．无论在什么轨道，只要加速即可
【当堂练习】
1、下列关于地球同步通信卫星的说法中，正确的是 ( ) A ．为避免通信卫星在轨道上相撞，应使它们运行在不同的轨道上
B ．通信卫星定点在地球上空某处，各个通信卫星的角速度相同，但线速度可以不同
C ．不同国家发射通信卫星的地点不同，这些卫星轨道不一定在同一平面内
D ．通信卫星只能运行在赤道上空某一恒定高度上
2.设地面附近重力加速度为g 0，地球半径为R 0，人造地球卫星圆形轨道半径为R ，那么以下说法正确的是( )
A ．卫星在轨道上向心加速度大小为g 0R 20
R 2
B ．卫星运行的速度大小为 R 20g 0
R C ．卫星运行的角速度大小为 R 3R 20g 0
D ．卫星运行的周期为2π
R 3R 20g 0
3．将卫星发射至近地圆轨道1（如图5-4-6所示），然后再次点
火，将卫星送入同步轨道3。
轨道1、2相切于Q 点，2、3相切于P 点，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是：
A ．卫星在轨道3上的速率大于轨道1上的速率。
B ．卫星在轨道3
上的角速度大于在轨道1上的角速度。
P
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度。
D．卫星在轨道2上经过P点的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度。
4、某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t落回手中．已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度．
【教学反思】
本节内容体现的中心思想还是牛顿运动定律在天体运动中的应用——万有引力充当向心力，从而得出一系列结论！！在本节课的教学中，很好的向学生渗透了这种物理方法。
美中不足的是，本节课也是很好的向学生进行价值观教育的机会。
通过人类对于太空的探索所付出的代价，激发学生对科学的崇拜。
另外通过介绍我国在航天事业中所取得的成就，激发学生的爱国热情，这也应该是物理课的任务。