2021年高中物理人教版（新教材）必修第二册学案：第七章 第四节　宇宙航行 （含答案）.doc

1、KKK 第四节第四节 宇宙航行宇宙航行 目标体系构建 明确目标 梳理脉络 【学习目标】 1了解人造地球卫星的初步构想。 2会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题。 3知道三个宇宙速度的含义和数值、会推导第一宇宙速度。 【思维脉络】 课前预习反馈 教材梳理 落实新知 知识点 1 人造地球卫星 1牛顿设想： 如图所示，把物体从高山上水平抛出，如果抛出速度_足够大_，物体就不再落回地面， 成为_人造卫星_。 2近地卫星的速度：由 Gmm 地 r2 mv 2 r ，得 v_ Gm地 r _。用地球半径 R 代替卫星到地 心的距离 r，可求得 v_7.9_km/s。 知识点 2 宇宙速度 数值 意义

2、第一宇 _7.9_km/s 卫星在地球表面附近绕地球做_匀速圆周运动_的 宙速度 速度 第二宇 宙速度 _11.2_km/s 使卫星挣脱_地球_引力束缚的最小地面发射速度 第三宇 宙速度 _16.7_km/s 使卫星挣脱_太阳_引力束缚的_最小_地面发射 速度 知识点 3 人造地球卫星 载人航天与太空探索 11957 年 10 月 4 日，_世界上_第一颗人造地球卫星发射成功。 21970 年 4 月 24 日，_我国_第一颗人造地球卫星“东方红 1 号”发射成功。 3地球同步卫星位于_赤道_上方高度约_36_000_km 处，与地面相对静止，角速度 和周期与地球的_相同_。 41961 年

3、4 月 12 日，苏联航天员加加林进入东方一号载人飞船，完成人类首次进入太 空的旅行。 51969 年 7 月，美国的阿波罗 11 号飞船登上月球。 6 2003 年 10 月 15 日， 我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员_杨利伟_送入太空。 72013 年 6 月，神舟十号分别完成与_天宫一号_空间站的手动和自动交会对接。 82016 年 10 月 19 日，神舟十一号完成与_天宫二号_空间站的自动交会对接。 92017 年 4 月 20 日，我国又发射了货运飞船_天舟一号_，入轨后与天宫二号空间站 进行自动交会对接及多项实验。 预习自测 判一判 (1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度

4、。() (2)无论从哪个星球上发射卫星，发射速度都要大于 7.9 km/s。() (3)绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是 10 km/s。() (4)人造地球卫星离地面越高，运动速度越小。() (5)如果沿地面发射卫星的速度大于 11.2 km/s，卫星会永远离开地球。() 选一选 2013 年 6 月 11 日，“神舟十号”飞船在酒泉卫星发射中心发射升空，航天员王亚平进行 了首次太空授课。在飞船进入圆形轨道环绕地球飞行时，它的线速度大小( C ) A等于 7.9 km/s B介于 7.9 km/s 和 11.2 km/s 之间 C小于 7.9 km/s D介于 7.9 km/s 和 1

5、6.7 km/s 之间 解析：卫星在圆形轨道上运动的速度 vGM r 。由于 rR，所以 vGM R7.9 km/s，C 正确。 想一想 某小报登载：年月日，国发射了一颗质量为 100 kg，周期为 1 h 的人造环月球卫 星。一位同学记得月球半径约为地球的1 4，月球表面重力加速度约为地球的 1 6，经过推理，他 认定该报道是则假新闻，他的判断正确吗？(地球半径约为 6.4103 km) 答案：正确。 解析：万有引力提供向心力 GMm R2 m4 2 T2 R 又 GMm R2 mg 得 Tmin2 R月 g月2 1 4R地 1 6g地 2 3R地 2g地2 36.4106 29.8 s6.

6、2103 s1.72 h。 环月卫星最小周期约为 1.72 h，故该报道是则假新闻。 课内互动探究 细研深究 破疑解难 探究 人造地球卫星 情境导入 在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动，请思考： (1)这些卫星的轨道平面有什么特点？ (2)这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢？ 提示：(1)卫星的向心力是由地球的万有引力提供，故所有卫星的轨道平面都经过地心； (2)由 GMm r2 mv 2 r m2rm4 2 T2 r 可知，卫星的线速度、角速度、周期等与其轨道半径有关。 要点提炼 1卫星的轨道 (1)卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道，也可以是圆轨道。 (2)卫星

7、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。 (3)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。 (4) 三类人造地球卫星轨道： A赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，卫星始终处于赤道上方； B极地轨道：卫星轨道平面与赤道平面垂直，卫星经过两极上空； C一般轨道：卫星轨道和赤道成一定角度。如图所示。 特别提醒 不管卫星沿一个什么样的轨道运动，地心一定处于卫星轨道所在的平面上。 2人造卫星问题的分析思路 (1)卫星的动力学规律 由万有引力提供向心力 GMm r2

8、ma向mv 2 r m2rm4 2r T2 (2)卫星的各物理量随轨道半径变化的规律 规 律 GMm r2 rR地h mv 2 r v GM r v 1 r m2r GM r3 1 r3 m4 2 T2 rT 42r3 GM T r3 maaGM r2 a1 r2 越 高 越 慢 mgGMm R2地 近地时GMgR2地 3卫星中的超重与失重 (1)超重：发射时加速上升过程；返回大气层时减速降低过程。 (2)失重：卫星进入轨道后，卫星本身和其中的人、物都处于完全失重状态。 (3)卫星中失效的物理仪器：凡工作条件或原理与重力有关的仪器都不能使用。 典例剖析 典题 1 (多选)(2020 云南省腾冲

9、市第八中学高一下学期期中)a、b、c、d 是在地 球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星，其中 a、c 的轨道相交于 P(图中未画出)，b、d 在同一个圆轨道上，b、c 轨道位于同一平面。某时刻四颗人造卫星的运行方向及位置如图所 示。下列说法中正确的是( AC ) Aa、c 的加速度大小相等，且大于 b 的加速度 Bb、c 的角速度大小相等，且小于 a 的角速度 Ca、c 的线速度大小相等，且大于 d 的线速度 Da、c 存在相撞危险 思路引导：万有引力提供向心力是解决卫星问题的核心，正确选用向心力的不同表达式 是解题的关键。 解析：a、c 的轨道相交于 P，说明两颗卫星的轨道半径相等，根据

10、 GMm r2 ma 可知，a、 c 的加速度大小相等，且大于 b 的加速度，选项 A 正确。根据 GMm r2 m2r 可知，b 的角速度 小于 a、c 的角速度，选项 B 错误。根据 GMm r2 mv 2 r 可知，a、c 的线速度大小相等，且大于 d 的线速度，选项 C 正确。由于 a、c 的轨道半径相等，周期相等，不存在相撞危险，选项 D 错 误。 对点训练 1如图所示，有关地球人造卫星轨道的正确说法有( C ) Aa、b、c 均可能是卫星轨道 B卫星轨道只可能是 a Ca、b 均可能是卫星轨道 Db 可能是同步卫星的轨道 解析：地球卫星围绕地球做匀速圆周运动，圆心是地球的地心，所以

11、凡是地球卫星，轨 道面必定经过地球中心，所以 a、b 均可能是卫星轨道，c 不可能是卫星轨道，故 A、B 错误， C 正确；同步卫星的轨道必定在赤道平面内，所以 b 不可能是同步卫星，故 D 错误。 探究 第一宇宙速度的定性分析和定量计算 情境导入 发射卫星，要有足够大的速度才行，请思考： (1)对于不同轨道的卫星，哪一颗卫星最容易发射呢？这颗卫星的环绕速度与发射速度有 什么关系？ (2)如何求得第一宇宙速度？ 提示：(1)轨道越低的卫星，更容易发射，故近地卫星最容易发射，发射后不需要升空， 因此近地卫星的环绕速度与其发射速度相等；(2)第一宇宙速度等于近地卫星的环绕速度，根 据万有引力提供向

12、心力，求出近地卫星的环绕速度即可。 要点提炼 一、第一宇宙速度的定性分析 1第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动必须具备的速 度，即近地卫星的环绕速度。 2决定因素：由第一宇宙速度的计算式 v GM R 可以看出，第一宇宙速度的值由中心 天体决定，第一宇宙速度的大小取决于中心天体的质量 M 和半径 R，与卫星无关。 3“最小发射速度”：如果发射速度低于第一宇宙速度，因为受到地球引力作用，发射 出去的卫星就会再回到地球上，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。 4“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径 最小，由 GMm r2 mv

13、 2 r 可得 v GM r ，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，近地 卫星的线速度即第一宇宙速度是最大环绕速度。 二、第一宇宙速度的定量计算方法 1根据星球表面的重力加速度可计算它的第一宇宙速度，依据是 mgmv 2 R，第一宇宙速 度 v gR。 2根据星球的近地卫星的运动情况可计算它的第一宇宙速度，依据是 GMm r2 mv 2 r ，第一 宇宙速度 v GM r 。 典例剖析 典题 2 (2020 河南省洛阳市高一下学期期中)2019 年 1 月 3 日“嫦娥四号”探测 器首次在月球背面软着陆，开展原位和巡视探测，让月球背面露真颜，设想嫦娥四号登月飞 船贴近月球表面做匀速圆周

14、运动，发射的月球车在月球软着陆后，自动机器人在月球表面上 沿竖直方向以初速度 v0抛出一个小球，测得小球经时间 t 落回抛出点，已知月球半径为 R，万 有引力常量为 G，月球质量分布均匀，求： (1)月球表面的重力加速度； (2)月球的第一宇宙速度。 思路引导：根据竖直上抛运动的特点，求出月球表面的重力加速度；根据万有引力提供 向心力 GMm R2 mv 2 R，可解得月球第一宇宙速度。 解析：(1)根据竖直上抛运动的特点可知 v01 2gt 解得月球表面的重力加速度：g2v0 t (2)设月球的质量为 M，则在月球表面有 GMm R2 mg 贴近月球表面做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力，

15、可得 GMm R2 mv 2 R 联立解得月球第一宇宙速度：v 2v0R t 。 答案：(1)2v0 t (2) 2v0R t 对点训练 2(2020 河北省石家庄市高一下学期期末)2017 年 9 月 25 日，微信启动页“变脸”：由 美国卫星拍摄的地球静态图换成了我国“风云四号”卫星拍摄地球的动态图， 如图所示。 “风 云四号”卫星是第二代地球静止轨道遥感气象卫星，下列说法正确的是( C ) A经过一段时间，“风云四号”可以运行到美国上空 B“风云四号”运行速度大于第一宇宙速度 C“风云四号”做圆周运动的向心加速度小于地球表面的重力加速度 D“风云四号”卫星的发射速度大于第二宇宙速度 解析

16、： 静止轨道卫星的轨道必须在赤道平面内， 故 A 错误； 由万有引力提供向心力得 GMm r2 mv 2 r ，解得 v GM r ，可知卫星的线速度 v 随轨道半径 r 的增大而减小，因此其线速度应 小于 7.9 km/s，故 B 错误；“风云四号”卫星围绕地球做匀速圆周运动，则有 GMm r2 ma，解 得 aGM r2 ，因为“风云四号”卫星轨道半径 r 大于地球半径 R，故“风云四号”做圆周运动 的向心加速度小于地球表面的重力加速度，故 C 正确；“风云四号”卫星的发射速度应大于 第一宇宙速度，小于第二宇宙速度，故 D 错误。 探究 地球同步卫星 情境导入 地球上空分布着许多的同步卫星

17、，在地面上的人看来，始终静止不动，请思考： (1)这些同步卫星是否就真的静止不动呢？ (2)这些同步卫星有什么共同的特点呢？ 提示：(1)这些同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动； (2)卫星相对于地球静止，因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。 要点提炼 1概念 相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星叫地球同步卫星，又叫通信卫星。 2特点 (1)周期一定：它的运动周期等于地球自转的周期 T24 h。 (2)角速度一定：同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度。 (3)轨道一定：所有同步卫星的轨道半径都相同，即同步卫星都在同一轨道上随地球做匀 速圆周运动，其轨道离地面的高度约

18、为 3.59104 km。 (4)环绕速度大小一定：所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的，约为 3.08 km/s。 (5)向心加速度大小一定：所有同步卫星由于到地心距离相同，所以，它们绕地球运动的 向心加速度大小都相同，约为 0.23 m/s2。 特别提醒 (1)所有同步卫星的周期 T、轨道半径 r、环绕速度 v、角速度 及向心加速度 a 的大小均 相同。 (2)所有国家发射的同步卫星的轨道都与赤道为同心圆，它们都在同一轨道上运动且都相 对静止。 典例剖析 典题 3 2018 年 2 月 12 日 12 时 03 分， 我国在西昌卫星发射中心用“长征三号” 乙运载火箭，以“一箭双星”

19、方式成功将第二十八、二十九颗“北斗”导航卫星送入太空轨 道。“北斗”卫星导航定位系统将由 5 颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星组成(如图所 示)，30 颗非静止轨道卫星中有 27 颗是中轨道卫星，中轨道卫星平均分布在倾角 55 度的三个 平面上， 轨道高度约为 21 500 公里， 静止轨道卫星的高度约为 36 000 公里， 地球半径约为 6 400 公里。已知279 424 30.53，下列关于北斗导航卫星的说法正确的是( C ) A静止轨道卫星的向心加速度比中轨道卫星大 B静止轨道卫星和中轨道卫星的线速度均大于地球的第一宇宙速度 C中轨道卫星的周期约为 12.7 h D地球赤道上

20、随地球自转物体的向心加速度比静止轨道卫星大 思路引导：同步卫星与一般的卫星遵循同样的规律，所以解决一般卫星问题的思路、公 式均可运用在同步卫星问题的解答中。同步卫星同时又具备自身的特殊性，即有确定的周期、 角速度、加速度、线速度、高度、轨道半径、轨道平面。 解析：静止轨道卫星即地球同步卫星离地面的高度大于中轨道卫星，所以 a静a中，A 错； 第一宇宙速度是最大的环绕速度，静止轨道卫星和中轨道卫星的线速度均小于第一宇宙速度， B 错。由开普勒第三定律得 T中 r3中 r3静T 2 静12.7 h，C 正确；由 a2r 可知，D 错。 对点训练 3同步地球卫星相对地面静止不动，犹如悬在高空中，下列

21、说法正确的是( B ) A同步卫星处于平衡状态 B同步卫星的速率是唯一的 C不同卫星的轨道半径都相同，且一定在赤道的正上方，它们以第一宇宙速度运行 D它们可在我国北京上空运行，故用于我国的电视广播 解析：根据同步卫星的特点知 B 正确，C、D 错误。同步卫星在万有引力作用下，绕地心 做圆周运动，不是处于平衡状态，A 错误。 核心素养提升 以题说法 启智培优 易错点：由于对人造卫星的运行规律认识不清而致错 案例 (多选)假如做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增加到原来的 2 倍，仍做 圆周运动，则 ( CD ) A根据公式 vr 可知卫星运动的线速度将增大到原来的 2 倍 B根据公式 Fmv 2

22、 r 可知卫星所需的向心力将减小到原来的1 2 C根据公式 FGMm r2 可知地球提供的向心力将减小到原来的1 4 D根据上述 B 和 C 中给出的公式可知，卫星运行的线速度将减小到原来的 2 2 易错分析：对人造卫星的运行规律认识不清，盲目套用公式，不能正确判断当轨道半径 发生变化时，相关物理量如何改变。而错选 AB。 正确解答：人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供， 有 GMm r2 mv 2 r ，得 v GM r ，则离地球越远的卫星运行速度越小，当半径增加到原来的 2 倍 时， 引力变为原来的1 4， 速度变为原来的 2 2 倍， 选项 B 错误， 选项 C、 D 正确。 由于 GM r3 ， 故当 r 增加到原来的 2 倍时， 将改变，所以不能用公式 vr 来判断卫星线速度的变化，选 项 A 错误。 素养警示 在讨论此类问题时，一定要分清哪些物理量是不变量，哪些物理量是变量，并由物理公 式明确变量间的函数关系。解题的关键是对物理概念和规律的正确理解，绝对不能盲目套用 公式。