新教材同步系列2024春高中物理第七章萬有引力與宇宙航行4宇宙航行課件新人教版必修第二冊

第七章萬有引力與宇宙航行4宇宙航行學習目標學法指導1.知道三個宇宙的速度的含義，會推導第一宇宙速度2．了解人造衛(wèi)星的有關知識，掌握人造衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關系3．了解人類對太空探索的歷程及我國衛(wèi)星發(fā)射的情況1.通過近地衛(wèi)星的運行推導第一宇宙速度并計算其數(shù)值，同時理解第二、第三宇宙速度的含義2．通過對地球衛(wèi)星運動的分析，掌握不同高度衛(wèi)星的線速度、角速度、周期和加速度的特點3．通過閱讀教材，體會人類探索太空的成就與科學精神知識導圖課前·

自主預習宇宙速度分類數(shù)值意義第一宇宙速度____km/s(1)衛(wèi)星環(huán)繞地球表面運行的速度，也是繞地球做勻速圓周運動的______速度(2)使衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運動的______地面發(fā)射速度第二宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫______引力束縛的______地面發(fā)射速度第三宇宙速度____km/s使衛(wèi)星掙脫______引力束縛的______地面發(fā)射速度7.9最大最小11.2地球最小16.7太陽最小關于宇宙速度，下列說法正確的是 (

)A．第一宇宙速度是使人造地球衛(wèi)星飛行的最小發(fā)射速度B．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度C．第二宇宙速度是衛(wèi)星在橢圓軌道上運行時的最大速度D．第三宇宙速度是發(fā)射人造地球衛(wèi)星的最小速度【答案】A【解析】第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是地球衛(wèi)星繞地球飛行的最大速度，A正確，B錯誤；第二宇宙速度是在地面上發(fā)射物體，使之成為繞太陽運動或繞其他行星運動的人造衛(wèi)星所必需的最小發(fā)射速度，C錯誤；第三宇宙速度是在地面上發(fā)射物體，使之飛到太陽系以外的宇宙空間所必需的最小發(fā)射速度，D錯誤．1．________年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功．2．________年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射成功．為我國航天事業(yè)作出特殊貢獻的科學家__________被譽為“中國航天之父”．3．地球同步衛(wèi)星：(1)位于________上方，高度約為__________km.(2)相對地面________，周期與____________周期相同．人造地球衛(wèi)星19571970錢學森赤道36000靜止地球自轉1．1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員________乘坐“東方一號”載人飛船首次成功進入太空．2．1969年7月美國“阿波羅11號”登上_______.3．2003年10月15日我國航天員________踏入太空．4．2013年6月，“神舟十號”分別完成與“天宮一號”的手動和自動交會________．載人航天與太空探索加加林月球楊利偉對接5．2017年4月20日，我國又發(fā)射了貨運飛船“天舟一號”，入軌后與“天宮二號”空間站進行自動交會對接、自主快速交會對接等3次交會對接及多項實驗．6．2021年5月15日7時18分，“天問一號”著陸巡視器成功著陸于火星的“烏托邦”平原南部預選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務取得圓滿成功．課堂·

重難探究1．發(fā)射速度指衛(wèi)星直接從地面發(fā)射后離開地面時的速度，相當于在地面上用一門威力強大的大炮將衛(wèi)星轟出炮口時的速度，衛(wèi)星離開炮口后，不再對衛(wèi)星提供動力．現(xiàn)實中并非這樣發(fā)射衛(wèi)星，而是由火箭推送經(jīng)過長時間的加速，最終送入預定軌道并工作運行．宇宙速度的推導和理解例1

恒星演化發(fā)展到一定階段，可能成為恒星世界的“侏儒”——中子星．中子星的半徑較小，一般在7～20km，但它的密度大得驚人．若某中子星的半徑為10km，密度為1.2×1017kg/m3，那么該中子星的第一宇宙速度約為

(

)A．7.9km/s B．16.7km/sC．2.9×104km/s D．5.8×104km/s【答案】D變式1

(多選)(2023年佛山期中)如圖所示，牛頓在思考萬有引力定律時就曾設想，把物體從高山上O點以不同的速度v水平拋出，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次遠．如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運動，成為人造地球衛(wèi)星，則下列說法正確的是

(

)A．以v<7.9km/s的速度拋出的物體可能落在A點B．以v<7.9km/s的速度拋出的物體將沿B軌道運動C．以7.9km/s<v<11.2km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動D．以11.2km/s<v<16.7km/s的速度拋出的物體可能沿C軌道運動【答案】AC【解析】物體拋出速度v<7.9km/s時必落回地面，物體拋出速度v＝7.9km/s時，物體剛好能不落回地面，繞地球做圓周運動，A正確，B錯誤；當物體拋出速度7.9km/s<v<11.2km/s時，物體在拋出點做離心運動，但物體不能脫離地球引力束縛，故物體做橢圓運動，可能沿C軌道運動，C正確；當物體拋出速度v>11.2km/s時，物體會脫離地球引力束縛，不可能沿C軌道運動，D錯誤．1．萬有引力與勻速圓周運動規(guī)律結合設衛(wèi)星的軌道半徑為r，線速度大小為v，角速度大小為ω，周期為T，向心加速度大小為a.人造衛(wèi)星的運行規(guī)律2．人造地球衛(wèi)星(1)衛(wèi)星的軌道平面可以在赤道平面內(nèi)(如同步軌道)，可以通過兩極上空(極地軌道)，也可以和赤道平面成任意角度，如圖所示．(2)因為地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力提供了衛(wèi)星繞地球做圓周運動的向心力，所以地心必定是衛(wèi)星圓軌道的圓心．3．近地衛(wèi)星、同步衛(wèi)星和極地衛(wèi)星(2)同步衛(wèi)星：位于地球赤道上方，相對于地面靜止不動，它的角速度跟地球自轉的角速度相同，周期為24h，廣泛應用于通信，又叫同步通信衛(wèi)星．(3)極地衛(wèi)星：軌道平面與赤道平面夾角為90°的人造地球衛(wèi)星，運行時能到達南北極上空．例2

(多選)(2023年常德漢壽一中段考)如圖所示，地球半徑為R，甲、乙兩顆人造衛(wèi)星繞地球做圓周運動，甲離地面的高度為R，乙離地面的高度為2R，下列說法正確的是 (

)【答案】AC變式2

2023年5月17日，第五十六顆“北斗”導航衛(wèi)星在西昌成功發(fā)射．“北斗”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)由地球同步衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星和傾斜同步衛(wèi)星組成．下列說法正確的是 (

)A．地球同步衛(wèi)星的運行速度大于7.9km/sB．地球同步衛(wèi)星的線速度比靜止在赤道上物體的小C．中軌道衛(wèi)星的周期大于24hD．中軌道衛(wèi)星的向心加速度比地球同步衛(wèi)星的大【答案】D本題解答時需注意：(1)區(qū)別兩個半徑(行星自身半徑與公轉軌道半徑)；(2)區(qū)別兩個加速度(公轉向心加速度與行星表面重力加速度)；(3)比較第一宇宙速度時，只需比較根號內(nèi)的數(shù)字大小即可．核心素養(yǎng)應用當衛(wèi)星由于某種原因速度突然改變時(開啟或關閉發(fā)動機或空氣阻力作用)，萬有引力就不再等于向心力大小，衛(wèi)星將做變軌運行．物理與科學技術——航天器的變軌與對接3．綜上所述，當衛(wèi)星需要變軌到更大半徑的軌道則需要加速，但到達預定的軌道后的運行速度比原運行速度更小了，反之變軌到更小半徑的軌道，則需要減速，但到達軌道后運行速度比原速度更大了．4．從能量的角度來講，外力做功加速的目的是克服萬有引力做功，從而獲得更大的重力勢能，而并非轉化為衛(wèi)星的動能．相反，減速之后，軌道半徑變小，衛(wèi)星將部分勢能轉化成了動能，從而獲得了更大的速度．例3

(多選)如圖所示，在發(fā)射地球同步衛(wèi)星的過程中，衛(wèi)星首先進入橢圓軌道Ⅰ，然后在Q點通過改變衛(wèi)星速度，讓衛(wèi)星進入地球同步軌道Ⅱ，則

(

)A．該衛(wèi)星的發(fā)射速度必定大于11.2km/sB．衛(wèi)星在同步軌道Ⅱ上的運行速度大于7.9km/sC．在橢圓軌道上，衛(wèi)星在P點的速度大于在Q點的速度D．衛(wèi)星在Q點通過加速實現(xiàn)由軌道Ⅰ進入軌道Ⅱ【答案】CD【解析】11.2km/s是衛(wèi)星脫離地球引力束縛的發(fā)射速度，而同步衛(wèi)星仍然繞地球運動，A錯誤；7.9km/s(第一宇宙速度)是近地衛(wèi)星的環(huán)繞速度，也是衛(wèi)星做圓周運動最大的環(huán)繞速度，同步衛(wèi)星運動的線速度一定小于第一宇宙速度，B錯誤；橢圓軌道Ⅰ上，P是近地點，故衛(wèi)星在P點的速度大于在Q點的速度，衛(wèi)星在軌道Ⅰ上的Q點做向心運動，只有加速后才能沿軌道Ⅱ運動，C、D正確．例4

(2022年浙江卷)“天問一號”從地球發(fā)射后，在如圖甲所示的P點沿地火轉移軌道到Q點，再依次進入如圖乙所示的調(diào)相軌道和停泊軌道，則“天問一號”

(

)A．發(fā)射速度介于7.9km/s與11.2km/s之間B．從P點轉移到Q點的時間小于6個月C．在環(huán)繞火星的停泊軌道運行的周期比在調(diào)相軌道上小D．在地火轉移軌道運動時的速度均大于地球繞太陽的速度【答案】C【解析】因發(fā)射的衛(wèi)星要能變軌到繞太陽轉動，則發(fā)射速度要大于第二宇宙速度，即發(fā)射速度介于11.2km/s與16.7km/s之間，A錯誤；因P點轉移到Q點的轉移軌道的半長軸大于地球公轉軌道半徑，則其周期大于地球公轉周期(1年)，則從P點轉移到Q點的時間為軌道周期的一半時間應大于6個月，B錯誤；因環(huán)繞火星的停泊軌道的半長軸小于調(diào)相軌道的半長軸，則由開普勒第三定律可知在環(huán)繞火星的停泊軌道運行的周期比在調(diào)相軌道上小，C正確；衛(wèi)星從P點變軌時，要增大速度，此后做離心運動，速度減小，則在地火轉移軌道運動時Q點的速度小于地球繞太陽的速度，D錯誤．小練·

隨堂鞏固1．(多選)(2023年江門外海中學期中)關于地球的第一宇宙速度，下列說法正確的是

(

)A．它是人造地球衛(wèi)星在近地圓軌道繞地球運行的最大速度B．它是人造地球衛(wèi)星在同步圓軌道繞地球運行的速度C．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小運行速度D．第一宇宙速度是人造地球衛(wèi)星的最小發(fā)射速度【答案】AD【解析】第一宇宙速度是衛(wèi)星繞地球做圓周運動的最小發(fā)射速度，也是繞地球運動衛(wèi)星的最大環(huán)繞速度，A、D正確．2．關于地球同步衛(wèi)星，下列表述正確的是 (

)A．衛(wèi)星運行時可能經(jīng)過重慶的正上方B．衛(wèi)星的運行速度大于第一宇宙速度C．衛(wèi)星距離地面的高度大于月球離地面的高度D．衛(wèi)星運行的向心加速度小于地球表面的重力加速度【答案】D3．(2023年中山一中段考)如圖所示，在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，牛頓曾設想在高山上水平拋出物體，若速度一次比一次大，落點就一次比一次遠．當速度足夠大時，物體就不會落回地面而成為人造衛(wèi)星了，這個足夠大的速度至少為(不計空氣阻力) (

)A．0.34km/s B．7.9km/sC．11.2km/s D．16.7km/s【答案】B【解析】當物體的速度大到所需向心力恰好等于地球的引力時，物體就不會落回地面而成為人造衛(wèi)星了，這個足夠大的速度就是地球的第一宇宙速度，大小至少為7.9km/s，A、C、D錯誤，B正確．4．(2021年菏澤期中)已知某行星的質(zhì)量是地球質(zhì)量的1.5倍，半徑是地球半徑的6倍，則此行星的第一宇宙速度約為(取地球的第一宇宙速度v1＝7.9km/s) (

)A．31.6