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卫星问题
一、难点形成原因:
卫星问题是高中物理内容中的牛顿运动定律、运动学基本规律、能量守恒定律、万有引力定律甚至还有电磁学规律的综合应用。其之所以成为高中物理教学难点之一,不外乎有以下几个方面的原因。
1、不能正确建立卫星的物理模型而导致认知负迁移
由于高中学生认知心理的局限性以及由牛顿运动定律研究地面物体运动到由天体运动规律研究卫星问题的跨度,使其对卫星、飞船、空间站、航天飞机等天体物体绕地球运转以及对地球表面物体随地球自转的运动学特点、受力情形的动力学特点分辩不清,无法建立卫星或天体的匀速圆周运动的物理学模型(包括过程模型和状态模型),解题时自然不自然界的受制于旧有的运动学思路方法,导致认知的负迁移,出现分析与判断的失误。
2、不能正确区分卫星种类导致理解混淆
人造卫星按运行轨道可分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止卫星、太阳同步轨道卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星;按科学用途可分为气象卫星、通讯卫星、侦察卫星、科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。。。。。。由于不同称谓的卫星对应不同的规律与状态,而学生对这些分类名称与所学教材中的卫星知识又不能吻合对应,因而导致理解与应用上的错误。
3、不能正确理解物理意义导致概念错误
卫星问题中有诸多的名词与概念,如,卫星、双星、行星、恒星、黑洞;月球、地球、土星、火星、太阳;卫星的轨道半径、卫星的自身半径;卫星的公转周期、卫星的自转周期;卫星的向心加速度、卫星所在轨道的重力加速度、地球表面上的重力加速度;卫星的追赶、对接、变轨、喷气、同步、发射、环绕等问题。。。。。。因为不清楚卫星问题涉及到的诸多概念的含义,时常导致读题、审题、求解过程中概念错乱的错误。
4、不能正确分析受力导致规律应用错乱
由于高一时期所学物体受力分析的知识欠缺不全和疏于深化理解,牛顿运动定律、圆周运动规律、曲线运动知识的不熟悉甚至于淡忘,以至于不能将这些知识迁移并应用于卫星运行原理的分析,无法建立正确的分析思路,导致公式、规律的胡乱套用,其解题错误也就在所难免。
5、不能全面把握卫星问题的知识体系,以致于无法正确区分类近知识点的不同。如,开普勒行星运动规律与万有引力定律的不同;赤道物体随地球自转的向心加速度与同步卫星环绕地球运行的向心加速度的不同;月球绕地球运动的向心加速度与月球轨道上的重力加速度的不同;卫星绕地球运动的向心加速度与切向加速度的不同;卫星的运行速度与发射速度的不同;由万有引力、重力、向心力构成的三个等量关系式的不同;天体的自身半径与卫星的轨道半径的不同;两个天体之间的距离L与某一天体的运行轨道半径r的不同。。。。。。只有明确的把握这些类近而相关的知识点的异同时才能正确的分析求解卫星问题。
二、难点突破策略:
(一)明确卫星的概念与适用的规律:
1、卫星的概念:
由人类制作并发射到太空中、能环绕地球在空间轨道上运行(至少一圈)、用于科研应用的无人或载人航天器,简称人造卫星。高中物理的学习过程中要将其抽象为一个能环绕地球做圆周运动的物体。
2、适用的规律:
牛顿运动定律、万有引力定律、开普勒天体运动定律、能量守恒定律以及圆周运动、曲线运动的规律、电磁感应规律。。。。。均适应于卫星问题。但必须注意到“天上”运行的卫星与“地上”运动物体的受力情况的根本区别。
(二)认清卫星的分类:
高中物理的学习过程中,无须知道各种卫星及其轨道形状的具体分类,只要认清地球同步卫星(与地球相对静止)与一般卫星(绕地球运转)的特点与区别即可。
(1)、地球同步卫星:
①、同步卫星的概念:所谓地球同步卫星,是指相对于地球静止、处在特定高度的轨道上、具有特定速度且与地球具有相同周期、相同角速度的卫星的一种。
②、同步卫星的特性:
不快不慢------具有特定的运行线速度(V=3100m/s)、特定的角速度(ω=-5 ra d/s )和特定的周期(T=24小时)。
不高不低------具有特定的位置高度和轨道半径,高度H= x107m, 轨道半径r= x107m.
图4-1
不偏不倚------同步卫星的运行轨道平面必须处于地球赤道平面上,轨道中心与地心重合,只能‘静止’在赤道上方的特定的点上。
证明如下:
如图4-1所示,假设卫星在轨道A上跟着地球的自转同步地匀速圆周运动,卫星运动的向心力来自地球对它的引力F引,F引中除用来作向心力的F1外,还有另一分力F2,由于F2的作用将使卫星运行轨道靠向赤道,只有赤道上空,同步卫星才可能在稳定的轨道上运行。
由得
∴h=R-R地是一个定值。(h是同步卫星距离地面的高度)
因此,同步卫星一定具有特定的位置高度和轨道半径。
③、同步卫星的科学应用:
同步卫星一般应用于通讯与气象