2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册7.4宇宙航行教案

一.宇宙速度第一宇宙速度：物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度，大小为7.9km/s。同时也指卫星飞船发射时的最小速度，如果发射小于这个速度，那么根据开普勒定律，航天器就会以地心作为焦点做椭圆运动（但是是在地球内部）（也是绝大部分弹道导弹的轨迹）第二宇宙速度：航天器逃离地球时所需要的速度，大小为11.2km/s。如果速度大于7.9km/s,又小于11.2km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度大于等于11.2km/s,它就会克服地球的引力，永远离开地球。第三宇宙速度：航天器逃离太阳系时所需的速度，大小为16.7km/s。人类历史上第一个飞出太阳系的航天器旅行者一号的速度达到了17.8km/s。宇宙速度与运动轨迹的关系(1)v发＝7.9km/s时，卫星绕地球表面附近做匀速圆周运动．(2)7.9km/s＜v发＜11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆．(3)11.2km/s≤v发＜16.7km/s，卫星绕太阳做椭圆运动．(4)v发≥16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间．第一宇宙速度的推导过程：方法一：由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(veq\o\al(2,1),R)得v1＝eq\r(\f(GM,R))＝7.9×103m/s.方法二：由mg＝meq\f(veq\o\al(2,1),R)得v1＝eq\r(gR)＝7.9×103m/s.例题1.关于宇宙速度，下列说法正确的是A．第一宇宙速度是能使人造地球卫星飞行的最小发射速度B．第一宇宙速度是人造地球卫星绕地球飞行的最小速度C．第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时的最大速度D．第三宇宙速度是发射人造地球卫星的最小速度例题2.2021年5月15日，我国“天问一号”火星探测器成功实现火星表面软着陆，降落在乌托邦平原南部，一次性完成“绕落巡”三大任务。已知火星与地球半径之比约为1∶2，表面重力加速度大小之比约为4∶9，则火星与地球第一宇宙速度之比约为（）A．2∶3 B．：3 C．3∶2 D．3：变式：2020年7月23日中午12：41分，我国第一个火星探测器“天问一号”搭载长征五号遥四运载火箭在海南的文吕航天发射中心的发射场地成功升空。火星直径约为地球的一半，质量约为地球的十分之一，它绕太阳公转的轨道半径约为地球公转半径的1.5倍。根据以上数据，以下说法正确的是（）A．火星与地球表面的重力加速度之比约为B．火星与地球的公转周期之比约为C．火星与地球的第一宇宙速度之比约为火星与地球受到太阳的引力之比约为二.人造地球卫星1.卫星轨道赤道轨道：卫星的轨道在赤道平面内，同步卫星的轨道就是赤道轨道极地轨道：卫星的轨道过南、北两极，即在垂直于赤道的平面内，如极地气象卫星其他轨道：除以上两种轨道外的卫星轨道所有卫星的轨道平面一定通过地球的球心2.近地卫星与同步卫星近地卫星：贴着地球表面绕地球运行的卫星，轨道半径R≈R地。同步卫星：绕地球公转周期等于地球自转周期的卫星，地面上的人看，同步卫星和地面相对静止，总保持在赤道正上方。同步卫星一般作为通讯卫星使用。同步卫星的特点（七个一定）定周期运行周期与地球自转周期相同,T=24h定角速度与地球自转的角速度相同定轨道平面所有地球同步卫星的轨道平面均在赤道平面内（只能在赤道正上方）定高度离地面高度为3.6xkm定速率运行速率为3.1xm/s定绕行方向绕行方向与地球自转方向一致定加速度由于同步卫星高度确定.则其轨道半径确定，因此向心加速度大小确定卫星的运行参量：线速度v、角速度w、周期T、向心加速度a规律：半径越小，速度越大（线速度、角速度、向心加速度），周期越小半径越大，速度越小（线速度、角速度、向心加速度），周期越大例题1．“天问一号”火星登陆探测器被火星俘获后首先在高轨道做圆周运动，然后转移到低轨道做圆周运动，为着陆火星做准备，相比高轨道，探测器在低轨道运行时（）A．周期较大 B．线速度较大C．角速度较小 D．加速度较小例题2．2021年5月30日，我国成功发射的“天舟二号”货运飞船与“天和核心舱”完成自主快速交会对接，河北辛集中学校友白明生正是天舟二号货运飞船总设计师。已知对接形成的组合体仍沿“天和核心舱”原来的轨道（可视为圆轨道）运行，对接前“天和核心舱”的运行轨道高度为393km，“天舟二号”货运飞船轨道高度为386km，它们的运行轨道均视为圆周，则（）A．“组合体”比“天和核心舱”加速度大B．“组合体”比“天和核心舱”角速度大C．“组合体”比“天和核心舱”周期大D．“组合体”比“天舟二号”货运飞船机械能大变式1．如图所示，三颗卫星A、B、C都在赤道平面内绕地球做匀速圆周运动，其中B为同步卫星。则三颗卫星中（）A．卫星C绕地球运动的周期小于24小时 B．卫星C的加速度最大C．卫星A的速度最小 D．卫星C的速度最小变式2.天文学家发现，三颗行星A、B、C绕着仙女座厄普西伦星做匀速圆周运动，如图所示，行星A周期为4.6170天，轨道半径为0.059AU(地球与太阳之间的距离为1AU，1AU=1.496×108km)，引力常量G=6.67×l0-11N·m2/kg2，根据题中数据可得A．厄普西伦星的质量B．厄普西伦星的第一宇宙速度C．行星B的周期小于4.6170天行星C的加速度大于A的加速度三．卫星变轨问题原理：在某一点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供卫星做圆周运动需要的向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道；在椭圆轨道的远地点再次点火加速进入高圆形轨道。结论；卫星由低轨道升到高轨道，需要点火加速；卫星由高轨道降到低轨道，需要点火减速。抓住椭圆轨道的远地点，结合两个圆轨道进行分析例题1.2021年5月22日，“天问一号”火星探测器所携带的“祝融号”火星车及其着陆组合体成功到达火星表面。如图是“天问一号”环绕火星变轨示意图。“天问一号”先沿轨道Ⅰ绕火星做匀速圆周运动，再在A点开始变轨后进入环绕火星的椭圆轨道Ⅱ运动。则“天问一号”（）A．由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ需要在A点加速B．在轨道Ⅱ上A点的速度小于B点的速度C．在轨道Ⅰ上的运行周期小于在轨道Ⅱ上的运行周期D．在轨道Ⅰ上经过A点时的加速度大于在轨道Ⅱ上经过A点时的加速度变式1.假设将来一艘飞船靠近火星时，经历如图所示的变轨过程，则下列说法正确的是A．飞船在轨道Ⅱ上运动到P点的速度小于在轨道轨道Ⅰ上运动到P点的速度B．若轨道I贴近火星表面，测出飞船在轨道I上运动的周期，就可以推知火星的密度C．飞船在轨道I上运动到P点时的加速度大于飞船在轨道Ⅱ上运动到P点时的加速度D．飞船在轨道Ⅱ上运动时的周期小于在轨道I上运动时的周期变式2.如图所示，发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火将卫星送入椭圆轨道2，然后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，2、3相切于P点，则