资源简介

校本课程《电影中的物理知识》
课时五：《流浪地球》课时二
教学目标：
1、 宇宙速度
2、理解万有引力与天体运动的关系
二、教学重难点:第一宇宙速度
三、教学方法：
讲授法、合作探究法
四、教具：
多媒体
五、授课过程：
【一】新课引入：电影欣赏提出问题：地球需要多大的速度才能逃离太阳系？
【二】新课教学：
一、行星绕太阳运动，行星围绕太阳的运动，需要太阳的万有引力。根据万有引力定律。行星受到太阳的万有引力。行星绕太阳做匀速圆周运动，合力总是指向圆心，又称向心力。万有引力提供行星圆周运动的向心力，向心力是效果力，行星受到太阳的万有引力与它运行需要的向心力相等。 物体围绕一个物体做匀速圆周运动，比如地球与太阳（要能看作质点）。
习题1：太阳的质量为M太阳系行星轨道半径为r万有引力常量为G行星质量为m行星绕太阳运动看作匀速圆周运动写出行星受到向心力表达式地质量为火星的9.3倍火星轨道半径是地球的1.5位地球与火星云动速率之比？
习题2：土星与太阳的距离是火星与太阳距离的6倍多，由此信息可知( )
土星的质量比火星小
土星运行的速率比火星的小
土星运行的周期比火星的小
土星运行的角速度大小比火星的大
二、宇宙速度——地球需要多大的速度才能逃离太阳系
《流浪地球》中地球要通过行星推进器加速才能从太阳系脱离出去，甚至还要借助木星的引力加速，电影的灾难也就是在靠近木星时发生的。这是因为在太空没有摩擦力，物体运动不能像在地球上一样说走就走，只能利用向心力和相互作用力实现加减速或者变轨。速度越大，就能够离中心天体越远！那么把地球推出太阳系又需要多大速度呢？
这就要讲到三个宇宙速度了。
首先来看第一宇宙速度。大家想一想，如果我们往远处扔一个苹果，苹果就会落在地面上，随着扔出速度越来越大，苹果也会越来越远，假如我们扔出苹果的速度足够大，那么苹果将会围着地球转圈，不会落在地面上，也就是苹果飞起来了，换句话说，苹果就成为了地球的卫星！这就是牛顿的猜想，也是后来航天科技的基础理论！
把这个过程说的专业一点，就是万有引力提供向心力时，物体就会成为地球卫星。假设物体贴地飞行，我们可以看成重力提供向心力，可以计算出此时的速度为7.9千米/秒，这就是传说中的第一宇宙速度，有了这个速度，古人说的上天就不是问题了。这是成为地球卫星的基础，意味着和月亮肩并肩。
下面来看第二宇宙速度。前面讲到第一宇宙速度让物体（航天器）成为地球卫星，第二宇宙速度就是让它彻底摆脱地球成为太阳的卫星，也就和地球一样围着太阳转，当然这个时候就得改名叫地球行星了。这个速度是第一宇宙速度的√2倍，大约是11.2千米/秒。此时意味着和地球肩并肩。
最后来看第三宇宙速度，也叫逃逸速度。逃逸这个词在《流浪地球》中提到过几次，意思是地球要摆脱太阳引力进入比邻星的地盘，一旦摆脱就成功逃逸，也就意味着真正的流浪！那么这个速度是多少呢？如果是在地球上顺着地球公转的方向发射航天器，航天器既要摆脱地球引力又要摆脱太阳引力，计算可以得出这个速度至少是16.7千米/秒，有了这个速度航天器就可以和太阳肩并肩了。
这里有个问题，地球的公转速度大约是30千米/秒，这个速度可是远大于第三宇宙速度，为啥地球没有自己早早飞出太阳系呢？这是因为刚才的宇宙速度都是以地球做为参考系，发射的航天器还会受到地球的引力。地球相对于太阳的逃逸速度就是地球公转速度的√2倍，大约42千米/秒。
第一宇宙速度的计算：
解得GM=V r，将R地=6.375×10^6m，地球质量M=5.965×10^24kg，万有引力常数6.67259×10^-11 米^3/(千克·秒^2)代入，并开平方，得v≈7.8 km/s。
第一宇宙速度，又叫航天器最小发射速度、航天器最大运行速度、环绕速度。是指物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度（first cosmic velocity）。
习题：关于第一宇宙速度的说法中正确的是
A．第一宇宙速度是卫星发射的最大速度
B．第一宇宙速度小于地球同步卫星的速度
C．第一宇宙速度是近地卫量的速度
D．第一宇宙速度是卫星做匀速园周运动的最大速度

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