物理：6.5《宇宙航行》學(xué)案(新人教版必修2)

1、6.5 宇宙航行（學(xué)案）一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 了解人造衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)2. 知道三個(gè)宇宙速度的含義，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。二、課前預(yù)習(xí)1、設(shè)天體A繞天體B做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則天體A的線速度、角速度、周期及加速度的大小分別由哪些量決定？ABCD2、請(qǐng)大家看下面的幾條衛(wèi)星軌道，試判斷哪幾條是可能的，哪幾條是不可能的？并總結(jié)衛(wèi)星軌道的特點(diǎn)。3、關(guān)于發(fā)射衛(wèi)星的問(wèn)題，牛頓在思考萬(wàn)有引力定律時(shí)就曾想過(guò)，從高山上水平拋出物體，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星。如圖。請(qǐng)你替牛頓算一算，需要多大的速度物體才能不落回地球，而是像衛(wèi)星一樣繞地球做勻

2、速圓周運(yùn)動(dòng)？4、為什么拋出速度小于7.9km/s時(shí)物體會(huì)落到地面上，而不會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢？5、如果拋出速度大于7.9km/s呢？6、第一宇宙速度 ，第二宇宙速度（逃逸速度） ，第三宇宙速度 。當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，物體將 ；當(dāng)拋出速度v滿足11.2km/sv<16.7km/s時(shí)，物體將 ；當(dāng)拋出速度v滿足16.7km/sv時(shí)，物體將 。7、大家可記得在別的什么地方我們也接觸到了7.9km/s這個(gè)速度啊？請(qǐng)同學(xué)們好好回憶一下。8、通過(guò)剛才的計(jì)算我們知道7.9km/s的速度是衛(wèi)星在地球表面運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，即近地衛(wèi)星的速度。實(shí)際應(yīng)用中的近地衛(wèi)星在1

3、00200km的高度飛行，與地球半徑6400km相比，完全可以說(shuō)是在“地面附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛(wèi)星到地心的距離r即軌道半徑。9、比近地軌道外層軌道上的衛(wèi)星的線速度與7.9km/s相比是大還是小呢？10、如果要將衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)到外層軌道，發(fā)射速度應(yīng)該比7.9km/s大還是小呢？11、發(fā)射速度： ；運(yùn)動(dòng)速度（環(huán)繞速度） 。12、1234如右圖，四顆均繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。如果衛(wèi)星3想追上衛(wèi)星1，應(yīng)該如何操作？假設(shè)某衛(wèi)星正在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度是7.9km/s?，F(xiàn)要想該衛(wèi)星進(jìn)入外層軌道，如何操作？在牛頓拋物設(shè)想中，當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s<v<

4、11.2km/s時(shí)，物體做什么運(yùn)動(dòng)？13、第一宇宙速度是 （“最大”或“最小”）的環(huán)繞速度，同時(shí)也是 的發(fā)射速度。14、什么是同步衛(wèi)星？同步衛(wèi)星有哪些特點(diǎn)？幾顆同步衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)全球通信？三、經(jīng)典例題1234例1、如圖所示，試比較四顆衛(wèi)星的線速度、角速度、周期及加速度的大小關(guān)系。例2、兩顆人造衛(wèi)星A、B繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，周期之比為 =18，則軌道把軌道半徑之比和運(yùn)行速度之比分別為( ) A. = 41 = 12 B. = 41 = 21 C. = 14 = 12 D. = 14 = 21 例3、可發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，使其圓軌道滿足下列條件（ ）A、與地球表面上某一緯度線（非赤道）是共面的同心圓B、

5、與地球表面上某一經(jīng)度線是共面的同心圓C、與地球表面上的赤道線是共面同心圓,且衛(wèi)星相對(duì)地面是運(yùn)動(dòng)的D、與地球表面上的赤道線是共面同心圓,且衛(wèi)星相對(duì)地面是靜止的例4、我國(guó)自行研制的“風(fēng)云一號(hào)”、“風(fēng)云二號(hào)”氣象衛(wèi)星運(yùn)行的軌道是不同的?！耙惶?hào)”是極地圓形軌道衛(wèi)星。其軌道平面與赤道平面垂直，周期是12h；“二號(hào)”是地球同步衛(wèi)星。兩顆衛(wèi)星相比 號(hào)離地面較高； 號(hào)觀察范圍較大； 號(hào)運(yùn)行速度較大。若某天上午8點(diǎn)“風(fēng)云一號(hào)”正好通過(guò)某城市的上空，那么下一次它通過(guò)該城市上空的時(shí)刻將是 。例5、假設(shè)地球質(zhì)量不變，而地球半徑增大到原來(lái)的2倍，那么從地球發(fā)射人造衛(wèi)星的第一宇宙速度為原來(lái)的（B）倍A. B.C.D. 2

6、 例6、在某一軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星A在進(jìn)行過(guò)程中突然天線斷了，那么衛(wèi)星及其斷了的天線將如何運(yùn)動(dòng)？例7、同步衛(wèi)星是指相對(duì)于地面不動(dòng)的人造衛(wèi)星（ ）A.它可以在地面上任一點(diǎn)的正上方，且離地心的距離可按需要選擇不同的值B.它可以在地面上任一點(diǎn)的正下方，但離地心的距離是一定的C.它只能在赤道的正上方，但離地心的距離可按需要選擇不同的值D.它只能在赤道的正上方，但離地心的距離是一定的例8、1968年2月20日，發(fā)射升空的“和平號(hào)”空間站，在服役15年后于2001年3月23日墜落在南太平洋?！昂推教?hào)”風(fēng)風(fēng)雨雨15年鑄就里輝煌業(yè)績(jī)，已成為航天史上的永恒篇章?！昂推教?hào)”空間站總質(zhì)量137t，工作容積超過(guò)400m3

7、，是迄今為止人類探索太空規(guī)模最大的航天器，有“人造天宮”之稱。在太空運(yùn)行的這一“龐然大物”按照地面指令準(zhǔn)確濺落在預(yù)定海域，這在人類歷史上還是第一次?！昂推教?hào)”空間站正常行動(dòng)時(shí)，距離地面的平均高度大約為350km。為了保證空間站最終安全墜毀，俄羅斯航天局地面控制中心對(duì)空間站的運(yùn)行做了精心安排和控制。在墜毀前空間站已經(jīng)順利進(jìn)入指定的低空軌道，此時(shí)“和平號(hào)”距離地面的高度大約為240km。在“和平號(hào)”沿指定的低空軌道運(yùn)行時(shí)，其軌道高度平均每晝夜降低2.7km。設(shè)“和平號(hào)”空間站正常運(yùn)行時(shí)沿高度為350km圓形軌道運(yùn)行，在墜落前高度240km的指定圓形低空軌道運(yùn)行。而且沿指定的低空軌道運(yùn)行時(shí)，每運(yùn)行一

8、周空間站高度變化很小，因此，計(jì)算時(shí)對(duì)空間站的每一周的運(yùn)動(dòng)都可以作為勻速圓周運(yùn)動(dòng)處理。（1）空間站沿正常軌道運(yùn)行時(shí)的加速度與沿指定的低空軌道運(yùn)行時(shí)加速度大小的比值多大？計(jì)算結(jié)果保留2位有效數(shù)字。（2）空間站沿指定的低空軌道運(yùn)行時(shí)，每運(yùn)行一周過(guò)程中空間站高度平均變化多大？計(jì)算中取地球半徑=6.4×103km，計(jì)算結(jié)果保留一位有效數(shù)字。四、鞏固練習(xí)1、假定宇宙空間站繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則在空間站上，下列實(shí)驗(yàn)不能做成的是：（ ）A、天平稱物體的質(zhì)量B、用彈簧秤測(cè)物體的重量C、用測(cè)力計(jì)測(cè)力D、用水銀氣壓計(jì)測(cè)飛船上密閉倉(cāng)內(nèi)的氣體壓強(qiáng)2、土星的外層有一個(gè)環(huán)，為了判斷它是土星的一部分，即土星的“連

9、續(xù)群”，還是土星的“衛(wèi)星群”，可以通過(guò)測(cè)量環(huán)中各層的線速度v與該層到土星中心的距離R之間的關(guān)系來(lái)判斷：A. 若vR，則該層是土星的連續(xù)群B. 若v2R，則該層是土星的衛(wèi)星群C. 若，則該層是土星的連續(xù)群D. 若，則該層是土星的衛(wèi)星群3、月球的質(zhì)量約為地球的1/81，半徑約為地球半徑的1/4，地球上第一宇宙速度約為7.9km/s,則月球上第一宇宙速度為多少？4、人造地球衛(wèi)星與地面的距離為地球半徑的1.5倍，衛(wèi)星正以角速度做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，地面的重力加速度為，、 、這三個(gè)物理量之間的關(guān)系是（ ）： ： ： ：5、下列關(guān)于地球同步衛(wèi)星的說(shuō)法中正確的是：（ ）A、為避免通訊衛(wèi)星在軌道上相撞，應(yīng)使它們運(yùn)行

10、在不同的軌道上B、通訊衛(wèi)星定點(diǎn)在地球赤道上空某處，所有通訊衛(wèi)星的周期都是24hC、不同國(guó)家發(fā)射通訊衛(wèi)星的地點(diǎn)不同，這些衛(wèi)星的軌道不一定在同一平面上D、不同通訊衛(wèi)星運(yùn)行的線速度大小是相同的，加速度的大小也是相同的。6、地球同步衛(wèi)星到地心的距離r可由求出，已知式中a的單位是m，b的單位是s，c的單位是m/s2，則： （ ）Aa是地球半徑，b是地球自轉(zhuǎn)的周期，C是地球表面處的重力加速度；Ba是地球半徑。b是同步衛(wèi)星繞地心運(yùn)動(dòng)的周期，C是同步衛(wèi)星的加速度；Ca是赤道周長(zhǎng)，b是地球自轉(zhuǎn)周期，C是同步衛(wèi)星的加速度Da是地球半徑，b是同步衛(wèi)星繞地心運(yùn)動(dòng)的周期，C是地球表面處的重力加速度。7、偵察衛(wèi)星在通過(guò)地

11、球兩極上的圓軌道上運(yùn)行，它的運(yùn)行軌道距地面高度為h，要使衛(wèi)星在一天的時(shí)間內(nèi)將地面上赤道各處在日照條件的情況下全都拍攝下來(lái)，衛(wèi)星在通過(guò)赤道上空時(shí)，衛(wèi)星上的攝像機(jī)至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長(zhǎng)是多少？設(shè)地球半徑為R，地面處的重力加速度為g，地球自轉(zhuǎn)的周期為T(mén)。地球8、如圖是在同一平面不同軌道上運(yùn)行的兩顆人造地球衛(wèi)星。設(shè)它們運(yùn)行的周期分別是T1、T2，(T1T2)，且某時(shí)刻兩衛(wèi)星相距最近。問(wèn)：兩衛(wèi)星再次相距最近的時(shí)間是多少？?jī)尚l(wèi)星相距最遠(yuǎn)的時(shí)間是多少？地球PQv2v1v2/v31239、發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地圓形軌道1運(yùn)行，然后點(diǎn)火，使其沿橢圓軌道2運(yùn)行，最后再次點(diǎn)火，將衛(wèi)星送入同步

12、圓形軌道3運(yùn)行。設(shè)軌道1、2相切于Q點(diǎn)，軌道2、3相切于P點(diǎn)，則衛(wèi)星分別在1、2、3軌道上正常運(yùn)行時(shí)，比較衛(wèi)星經(jīng)過(guò)軌道1、2上的Q點(diǎn)的加速度的大??；以及衛(wèi)星經(jīng)過(guò)軌道2、3上的P點(diǎn)的加速度的大小設(shè)衛(wèi)星在軌道1、3上的速度大小為v1、v3 ，在橢圓軌道上Q、P點(diǎn)的速度大小分別是v2、v2/，比較四個(gè)速度的大小10、“黑洞”問(wèn)題是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中預(yù)言的一種特殊的天體。它的密度很大，對(duì)周圍的物質(zhì)（包括光子）有極強(qiáng)的吸引力。根據(jù)愛(ài)因斯坦理論，光子是有質(zhì)量的，光子到達(dá)黑洞表面時(shí)，也將被吸入，最多恰能繞黑洞表面做圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)天文觀察，銀河系中心可能有一個(gè)黑洞，距離可能黑洞為6.0×1012m

13、遠(yuǎn)的星體正以2.0×106m/s的速度繞它旋轉(zhuǎn)，據(jù)此估算該可能黑洞的最大半徑是多少？（保留一位有效數(shù)字）11、在研究宇宙發(fā)展演變的理論中，有一種學(xué)說(shuō)叫做“宇宙膨脹說(shuō)”，這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為萬(wàn)有引力常量G在緩慢地減小，根據(jù)這一理論，在很久很久以前，太陽(yáng)系中地球的公轉(zhuǎn)情況與現(xiàn)在相比較，公轉(zhuǎn)半徑如何變化？公轉(zhuǎn)周期如何變化？公轉(zhuǎn)線速度如何變化？要求寫(xiě)出必要的推理依據(jù)和推理過(guò)程。 12、科學(xué)探測(cè)表明，月球上至少存在氧、硅、鋁、鐵等豐富的礦產(chǎn)資源。設(shè)想人類開(kāi)發(fā)月球，不斷地月球上的礦藏搬運(yùn)到地球上，假定經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采以后，月球和地球仍看做均勻球體，月球仍然在開(kāi)采前的軌道運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)問(wèn)：地球與月球的引力怎么變化

14、？月球繞地球運(yùn)動(dòng)的周期怎么變化？月球繞地球運(yùn)動(dòng)的速率怎么變化？參考答案1、【答案】:ABD【解析】：本題考察了宇宙空間站上的“完全失重”現(xiàn)象。2、【答案】:AD【解析】：本題考察連續(xù)物與分離物的特點(diǎn)與規(guī)律該環(huán)若是土星的連續(xù)群，則它與土星有共同的自轉(zhuǎn)角速度， ，因此vR該環(huán)若是土星的衛(wèi)星群，由萬(wàn)有引力定律得： 故A、D正確土星也在自轉(zhuǎn)，能分清環(huán)是土星上的連帶物，還是土星的衛(wèi)星，搞清運(yùn)用的物理規(guī)律，是解題的關(guān)鍵。同時(shí)也要注意，衛(wèi)星不一定都是同步衛(wèi)星。3、【答案】: 【解析】：設(shè)月球質(zhì)量為M，地球質(zhì)量81M；月球半徑為R，地球半徑為4R。則有 則速度之比為，月球第一宇宙速度為4、【答案】:A【解析】

15、：首先要注意的是衛(wèi)星軌道半徑為1.5+1=2.5R，利用有，又因?yàn)?，有A5、【答案】:BD【解析】：本題考察地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)及其規(guī)律。同步衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，T=24h，角速度一定根據(jù)萬(wàn)有引力定律得知通訊衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是一定的，離開(kāi)地面的高度也是一定的。地球?qū)πl(wèi)星的引力提供了衛(wèi)星做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，因此同步衛(wèi)星只能以地心為為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，它只能與赤道同平面且定點(diǎn)在赤道平面的正上方。故B正確，C錯(cuò)誤。不同通訊衛(wèi)星因軌道半徑相同，速度大小相等，故無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)相撞，A錯(cuò)誤。由知：通訊衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、向心加速度大小一定。故正確答案是：B、D6、【答案】:AD【解析】：由G，及m

16、gG得r3AD正確。 7、【答案】: 【解析】：如果周期是12小時(shí)，每天能對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行兩次觀測(cè)。如果周期是6小時(shí)，每天能對(duì)同一緯度的地方進(jìn)行四次觀測(cè)。如果周期是小時(shí)，每天能對(duì)同一緯度的地方進(jìn)行n次觀測(cè)。設(shè)衛(wèi)星運(yùn)行周期為T(mén)1，則有物體處在地面上時(shí)有 解得：在一天內(nèi)衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為，即在日照條件下有次經(jīng)過(guò)赤道上空，所以每次攝像機(jī)拍攝的赤道弧長(zhǎng)為，將T1結(jié)果代入得 8、【答案】: k=0.1.2【解析】：本題考察同一平面不同軌道上運(yùn)行的兩顆人造地球衛(wèi)星的位置特點(diǎn)及其衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律依題意，T1T2，周期大的軌道半徑大，故外層軌道運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星運(yùn)行一周的時(shí)間長(zhǎng)。設(shè)經(jīng)過(guò)t兩星再次相距最近 則它們運(yùn)行的

17、角度之差 解得：兩衛(wèi)星相距最遠(yuǎn)時(shí)，它們運(yùn)行的角度之差 k=0.1.2 解得：k=0.1.29、【解析】：同步衛(wèi)星的發(fā)射有兩種方法，本題提供了同步衛(wèi)星的一種發(fā)射方法，并考察了衛(wèi)星在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。根據(jù)牛頓第二定律，衛(wèi)星的加速度是由于地球吸引衛(wèi)星的引力產(chǎn)生的。即：可見(jiàn)衛(wèi)星在軌道2、3上經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的加速度大小相等；衛(wèi)星在軌道1、2上經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)的加速度大小也相等；但P點(diǎn)的加速度小于Q點(diǎn)的加速度。1、3軌道為衛(wèi)星運(yùn)行的圓軌道，衛(wèi)星只受地球引力做勻速圓周運(yùn)動(dòng)由得：可見(jiàn)：v1v3由開(kāi)普勒第二定律知，衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)動(dòng)速度大小不同，近地點(diǎn)Q速度大，遠(yuǎn)地點(diǎn)速度小，即：v2v2/衛(wèi)星由近地軌道向橢圓軌道運(yùn)動(dòng)

18、以及由橢圓軌道向同步軌道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，引力小于向心力， ，衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)，因此隨著軌道半徑r增大，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度增大，它做加速運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)：v2v1，v3v2/因此：v2v1v3v2/10、【答案】: 【解析】：本題考察“黑洞”的基本知識(shí)，這是一道信息題。黑洞做為一種特殊的天體，一直受到人們廣泛的關(guān)注,種種跡象表明,它確實(shí)存在于人的視野之外。黑洞之黑，就在于光子也逃不出它的引力約束。光子繞黑洞做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的軌道半徑就是黑洞的最大可能半徑。設(shè)光子的質(zhì)量為m，黑洞的質(zhì)量為M，黑洞的最大可能半徑為R，光子的速度為c 根據(jù)牛頓定律得： 對(duì)銀河系中的星體,設(shè)它的質(zhì)量為m/,它也在繞黑洞旋轉(zhuǎn),因此由解得：11、【答案】:以前?。灰郧靶?；以前大 【解析】：這也是一道信息題，主要考察同學(xué)們運(yùn)用萬(wàn)有引力定律推理分析的能力。所提供的信息就是“引力常量在緩慢地減小”。在漫長(zhǎng)的宇宙演變過(guò)程中，由于“G”在減小，地球所受的引力在變化，故地球公轉(zhuǎn)的半徑、周期速度都在發(fā)生變化。即地球不再做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。但由于G減小的非常緩慢，故在較短的時(shí)間內(nèi)，