人教版高中物理必修2第六章第5節(jié)宇宙航行學(xué)案

1、人教版高中物理必修2第六章第5節(jié)宇宙航行學(xué)案學(xué)員姓名： 年 級(jí)：高一 輔導(dǎo)科目：物理課時(shí)數(shù)： 學(xué)科教師： 授課日期2020授課時(shí)段組長(zhǎng)簽字授課類型TCT星級(jí)教學(xué)目的1.知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)計(jì)算第一宇宙速度(重點(diǎn))2.掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系(重點(diǎn))3.理解近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星的區(qū)別(難點(diǎn))4.掌握衛(wèi)星的變軌問題(難點(diǎn))重點(diǎn)難點(diǎn)1、掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系(重點(diǎn))教學(xué)內(nèi)容T同步課堂導(dǎo)入人造衛(wèi)星繞地球是怎么運(yùn)動(dòng)的？知識(shí)模塊1、人造衛(wèi)星1人造地球衛(wèi)星的發(fā)射及原理(1)牛頓設(shè)想：如圖6­5­1甲所示，當(dāng)物體被拋出的速度足

2、夠大時(shí)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)而不再落回地面，成為一顆人造地球衛(wèi)星甲乙圖6­5­1(2)發(fā)射過程簡(jiǎn)介：如圖乙所示，發(fā)射人造地球衛(wèi)星，一般使用三級(jí)火箭，最后一級(jí)火箭脫離時(shí)，衛(wèi)星的速度稱為發(fā)射速度，使衛(wèi)星進(jìn)入地球軌道的過程也大致為三個(gè)階段2動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)一般情況下可認(rèn)為人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由地球?qū)λ娜f有引力提供3衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律由Gm可得v.1發(fā)射人造地球衛(wèi)星需要足夠大的速度()2衛(wèi)星繞地球運(yùn)行不需要力的作用(×)3衛(wèi)星的運(yùn)行速度隨軌道半徑的增大而增大(×)人造衛(wèi)星能夠繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)而不落回地面，是否是由于衛(wèi)星不再受到地球引力的作用？圖6

3、3;5­2【答案】不是，衛(wèi)星仍然受到地球引力的作用，但地球引力全部用來提供向心力在地球的周圍，有許多的衛(wèi)星在不同的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，請(qǐng)思考：圖6­5­3探討1：這些衛(wèi)星的軌道平面有什么特點(diǎn)？【答案】這些衛(wèi)星的軌道平面都通過地心探討2：這些衛(wèi)星的線速度、角速度、周期跟什么因素有關(guān)呢？【答案】衛(wèi)星的線速度、角速度、周期都跟衛(wèi)星的軌道半徑有關(guān)1人造衛(wèi)星的軌道：衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，由地球?qū)λ娜f有引力充當(dāng)向心力因此衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心必與地心重合，而這樣的軌道有多種，其中比較特殊的有與赤道共面的赤道軌道和通過兩極點(diǎn)上空的極地軌道當(dāng)然也存在著與赤道平面呈某

4、一角度的圓軌道如圖6­5­4所示圖6­5­42人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律：人造衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律類似行星運(yùn)行規(guī)律(1)常用關(guān)系式Gmm2rmr.mgG.Gma.(2)常用結(jié)論：衛(wèi)星離地面高度越高，其線速度越小，角速度越小，周期越大，向心加速度越小可以概括為“越遠(yuǎn)越慢、越遠(yuǎn)越小”3地球同步衛(wèi)星(1)概念：相對(duì)于地面靜止且與地球自轉(zhuǎn)具有相同周期的衛(wèi)星，叫做地球同步衛(wèi)星(2)特點(diǎn)：確定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向：和地球自轉(zhuǎn)方向一致；確定的周期：和地球自轉(zhuǎn)周期相同，即T24 h；確定的角速度：等于地球自轉(zhuǎn)的角速度；確定的軌道平面：所有的同步衛(wèi)星都在赤道的正上方，其軌道平面必須與赤道平面重合

5、；確定的高度：離地面高度固定不變(3.6×104 km)；確定的環(huán)繞速率：線速度大小一定(3.1×103 m/s)典型例題1如圖6­5­5所示的三顆人造地球衛(wèi)星，下列說法正確的是()圖6­5­5衛(wèi)星可能的軌道為a、b、c衛(wèi)星可能的軌道為a、c同步衛(wèi)星可能的軌道為a、c同步衛(wèi)星可能的軌道為aA是對(duì)的B是對(duì)的C是對(duì)的 D是對(duì)的【答案】衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)，也可以和赤道平面垂直，還可以和赤道平面成任一角度但是由于地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力，所以地心必須是衛(wèi)星圓軌道的圓心，因此衛(wèi)星可能的軌道一定不會(huì)是b.同步衛(wèi)

6、星只能位于赤道的正上方，所以同步衛(wèi)星可能的軌道為a.綜上所述，正確選項(xiàng)為B. 2我國(guó)發(fā)射的“天宮”一號(hào)和“神舟”八號(hào)在對(duì)接前，“天宮”一號(hào)的運(yùn)行軌道高度為350 km，“神舟”八號(hào)的運(yùn)行軌道高度為343 km.它們的運(yùn)行軌道均視為圓周，則 ()A“天宮”一號(hào)比“神舟”八號(hào)速度大B“天宮”一號(hào)比“神舟”八號(hào)周期長(zhǎng)C“天宮”一號(hào)比“神舟”八號(hào)角速度大D“天宮”一號(hào)比“神舟”八號(hào)加速度大【解析】由Gmr2mmrma，得v，T2，a，由于r天>r神，所以v天<v神，天<神，T天>T神，a天<a神；故正確選項(xiàng)為B. 3關(guān)于地球同步衛(wèi)星的說法正確的是()A所有地球同步衛(wèi)星一定

7、在赤道上空B不同的地球同步衛(wèi)星，離地高度不同C不同的地球同步衛(wèi)星的向心加速度大小不相等D所有地球同步衛(wèi)星受到的向心力大小一定相等【答案】地球同步衛(wèi)星一定位于赤道上方，周期一定，離地面高度一定，向心加速度大小一定，所以A項(xiàng)正確，B、C項(xiàng)錯(cuò)誤；由于FG，所以不同的衛(wèi)星質(zhì)量不同，其向心力也不同，D項(xiàng)錯(cuò)誤 A總結(jié)和歸納同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星和赤道上隨地球自轉(zhuǎn)物體的比較1近地衛(wèi)星是軌道半徑近似等于地球半徑的衛(wèi)星，衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供同步衛(wèi)星是在赤道平面內(nèi)，定點(diǎn)在某一特定高度的衛(wèi)星，其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供在赤道上隨地球自轉(zhuǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體是地球的一部分，它不是地球的衛(wèi)星

8、，充當(dāng)向心力的是物體所受的萬有引力與重力之差2近地衛(wèi)星與同步衛(wèi)星的共同點(diǎn)是衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬有引力提供；同步衛(wèi)星與赤道上隨地球自轉(zhuǎn)的物體的共同點(diǎn)是具有相同的角速度當(dāng)比較近地衛(wèi)星和赤道上物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，往往借助同步衛(wèi)星這一紐帶，這樣會(huì)使問題迎刃而解C專題知識(shí)模塊2、宇宙速度1三種宇宙速度數(shù)值意義第一宇宙速度7.9 km/s衛(wèi)星在地球表面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度第二宇宙速度11.2 km/s使衛(wèi)星掙脫地球引力束縛的最小地面發(fā)射速度第三宇宙速度16.7 km/s使衛(wèi)星掙脫太陽引力束縛的最小地面發(fā)射速度2.夢(mèng)想成真1957年10月，蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星1969年7月，美

9、國(guó)“阿波羅11號(hào)”登上月球2003年10月15日，我國(guó)航天員楊利偉踏入太空2010年10月1日，我國(guó)的“嫦娥二號(hào)”探月衛(wèi)星發(fā)射成功2013年6月11日，我國(guó)的“神舟十號(hào)”飛船發(fā)射成功1繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星的速度可以是10 km/s.(×)2在地面上發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度是7.9 km/s.()3要發(fā)射一顆月球人造衛(wèi)星，在地面的發(fā)射速度應(yīng)大于16.7 km/s.(×)美國(guó)有部電影叫光速俠，是說一個(gè)叫Daniel Light的家伙在一次事故后，發(fā)現(xiàn)自己擁有了能以光速奔跑的能力根據(jù)所學(xué)物理知識(shí)分析，如果“光速俠”要以光速從紐約跑到洛杉磯救人，可能實(shí)現(xiàn)嗎？圖6­

10、5­6【答案】不可能實(shí)現(xiàn)當(dāng)人或物體的速度達(dá)到第二宇宙速度時(shí)，會(huì)脫離地球，到達(dá)外太空，即在地表運(yùn)動(dòng)的速度不能超過第一宇宙速度7.9 km/s.發(fā)射衛(wèi)星，要有足夠大的速度才行，請(qǐng)思考：圖6­5­7探討1：不同星球的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的決定因素是什么？【答案】不同，根據(jù)Gm，v，可見第一宇宙速度由星球的質(zhì)量和半徑?jīng)Q定探討2：把衛(wèi)星發(fā)射到更高的軌道上需要的發(fā)射速度越大還是越??？【答案】軌道越高，需要的發(fā)射速度越大1認(rèn)識(shí)第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造衛(wèi)星近地環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)必須具備的速度，即近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度2推導(dǎo)萬有引力提供衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力重力提供

11、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的向心力公式Gmmgm結(jié)果vv3.“最小發(fā)射速度”：向高軌道發(fā)射衛(wèi)星比向低軌道發(fā)射衛(wèi)星困難，因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星要克服地球?qū)λ囊剀壍朗侨嗽煨l(wèi)星的最低運(yùn)行軌道，而近地軌道的發(fā)射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是發(fā)射人造衛(wèi)星的最小速度4“最大環(huán)繞速度”：在所有環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中，近地衛(wèi)星的軌道半徑最小，由Gm可得v，軌道半徑越小，線速度越大，所以在這些衛(wèi)星中，近地衛(wèi)星的線速度即第一宇宙速度是最大環(huán)繞速度典型例題4關(guān)于宇宙速度的說法，正確的是()A第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)的最大速度B第一宇宙速度是地球同步衛(wèi)星的發(fā)射速度C人造地球衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)的速度介于第一宇宙速度和第二

12、宇宙速度之間D第三宇宙速度是物體逃離地球的最小速度【答案】第一宇宙速度是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，同時(shí)也是人造地球衛(wèi)星的最大運(yùn)行速度，故A對(duì)，B、C錯(cuò)；第二宇宙速度是物體逃離地球的最小速度，D錯(cuò) A5若取地球的第一宇宙速度為8 km/s，某行星質(zhì)量是地球的6倍，半徑是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度約為() A16 km/sB32 km/sC4 km/s D2 km/s【答案】第一宇宙速度是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，對(duì)于近地衛(wèi)星，其軌道半徑近似等于星球半徑，所受萬有引力提供其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，根據(jù)萬有引力定律和牛頓第二定律得Gm解得v因?yàn)樾行堑馁|(zhì)量M是地球質(zhì)量M的6倍，半徑R是地球半徑R的1

13、.5倍，故2即v2v2×8 km/s16 km/s，A正確6已知某星球的半徑為R，在該星球表面航天員以速度v0水平拋出的小球經(jīng)過時(shí)間t落到一傾角為的斜面上時(shí)，其速度方向與斜面垂直，不計(jì)一切阻力，忽略星球的自轉(zhuǎn)，引力常量為G.求：(1)該星球的質(zhì)量；(2)該星球的第一宇宙速度【答案】(1)平拋的速度垂直斜面，由運(yùn)動(dòng)規(guī)律：v0vytan ，vygt星球表面：Gmg解得M.(2)星球表面轉(zhuǎn)動(dòng)的衛(wèi)星mgm解得v. (1)(2)總結(jié)和歸納地球三種宇宙速度的理解(1)三種宇宙速度均指在地球上的發(fā)射速度(2)第一宇宙速度是衛(wèi)星環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大速度，也是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度T能力(3)軌道

14、半徑越大的衛(wèi)星，其運(yùn)行速度越小，但其地面發(fā)射速度越大課后作業(yè)1關(guān)于第一宇宙速度，下列說法中正確的是()A第一宇宙速度的數(shù)值是11.2 km/sB第一宇宙速度又稱為逃逸速度C第一宇宙速度是衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的速度D第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的最小環(huán)繞速度【答案】第一宇宙速度的數(shù)值是7.9 km/s，故A錯(cuò)誤第一宇宙速度又叫做環(huán)繞速度，第二宇宙速度又叫做逃逸速度，故B錯(cuò)誤第一宇宙速度是繞近地球表面做圓周運(yùn)動(dòng)的速度，故C正確第一宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，繞地球運(yùn)行的最大環(huán)繞速度，故D錯(cuò)誤 C2如圖6­5­8所示是在同一軌道平面上的三顆不同的人造地球

15、衛(wèi)星，關(guān)于各物理量的關(guān)系，下列說法正確的是()圖6­5­8A根據(jù)v可知vA<vB<vCB根據(jù)萬有引力定律可知FA>FB>FCC角速度A>B>CD向心加速度aA<aB<aC【答案】由題圖知三顆不同的人造地球衛(wèi)星的軌道半徑關(guān)系為rA<rB<rC由萬有引力提供向心力得mmr2ma可知v所以vA>vB>vC，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；由于三顆衛(wèi)星的質(zhì)量關(guān)系不確定，故萬有引力大小不確定，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；，所以A>B>C，C選項(xiàng)正確；a，所以aA>aB>aC，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤 C3星球上的物體脫離星球引力所需的最

16、小速度稱為該星球的第二宇宙速度星球的第二宇宙速度v2與其第一宇宙速度v1的關(guān)系是v2v1.已知某星球的半徑為r，表面的重力加速度為地球表面重力加速度g的，不計(jì)其他星球的影響，則該星球的第二宇宙速度為()A. B.C. D.gr【答案】由第一宇宙速度公式可知，該星球的第一宇宙速度為v1，結(jié)合v2v1可得v2，C正確 4(多選)一顆在地球赤道上空運(yùn)轉(zhuǎn)的同步衛(wèi)星，距地面高度為h，已知地球半徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T，地面重力加速度g，則這顆衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度大小為()A(Rh)BRC. D.【答案】由勻速圓周運(yùn)動(dòng)線速度定義可得：v(Rh)，故A正確由萬有引力提供向心力的線速度表達(dá)式可得：Gm；在地面上的物體

17、由萬有引力等于重力可得：Gmg，由上式解得：vR，故B正確根據(jù)Gm(hR)，解得Rh，v(Rh)聯(lián)立解得：v，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤；故選ABC. 5.如圖6­5­9A為靜止于地球赤道上的物體，B為近地衛(wèi)星，C為地球同步衛(wèi)星根據(jù)以上信息可知() 圖6­5­9A衛(wèi)星B的線速度大于衛(wèi)星C的線速度B衛(wèi)星C的周期比物體A圍繞地心轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的時(shí)間短C近地衛(wèi)星B受到的地球的引力一定大于地球同步衛(wèi)星C受到的引力D近地衛(wèi)星B的質(zhì)量大于物體A的質(zhì)量【答案】近地衛(wèi)星與地球同步衛(wèi)星有共同的受力特點(diǎn)，即所受到的萬有引力提供向心力，在赤道上的物體受到重力和支持力的合力來提供向心力

18、，地球同步軌道衛(wèi)星與赤道上的物體有共同的轉(zhuǎn)動(dòng)周期近地衛(wèi)星與地球同步軌道衛(wèi)星所受的萬有引力提供向心力，即，得v，所以vBvC，A選項(xiàng)正確由mr得T，TBTC，B選項(xiàng)錯(cuò)誤物體受到的萬有引力由中心天體的質(zhì)量、物體的質(zhì)量以及中心天體與物體之間的距離決定，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤D選項(xiàng)錯(cuò)誤 A6.國(guó)務(wù)院批復(fù)，自2016年起將4月24日設(shè)立為“中國(guó)航天日”.1970年4月24日我國(guó)首次成功發(fā)射的人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)，目前仍然在橢圓軌道上運(yùn)行，其軌道近地點(diǎn)高度約為440 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約為2 060 km；1984年4月8日成功發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星運(yùn)行在赤道上空35 786 km的地球同步軌道上設(shè)東方紅一號(hào)在遠(yuǎn)地點(diǎn)的加速度為a1，東方紅二號(hào)的加速度為a2，固定在地球赤道上的物體隨地球自轉(zhuǎn)的加速度為a3，則a1、a2、a3的大小關(guān)系為()圖6­5­10Aa2>a1>a3Ba3>a2>a1Ca3>a1>a2 Da1>a2>a3【答案】衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行時(shí)，萬有引力提供向心力，對(duì)于東方紅一號(hào)，在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)有Gm1a1，即a1，對(duì)于東方紅二號(hào)，有Gm2a2，即a2，由于h2>h1，故a1>a2，東方紅二號(hào)衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)的角速度相等，由于東方紅二號(hào)做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑大于地球赤道上物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，根據(jù)a2r，故a2>a3，所