新教材2023高中物理第七章万有引力与宇宙航行7.4宇宙航行课件新人教版必修第二册

第七章万有引力与宇宙航行学习目标1.结合圆周运动知识和万有引力定律,理解第一宇宙速度,了解第二宇宙速度和第三宇宙速度,会计算人造卫星的环绕速度,培养应用物理知识解决实际问题的能力.2.通过分析人造卫星的运行特点,理解近地卫星、同步卫星和其他卫星的区别.建构人造卫星发射和运行的空间模型,会分析卫星变轨问题,理解天体运动中的能量观.3.通过了解宇宙航行的历程和进展,以及我国在卫星发射和载人航天取得的成就,感受人类对客观世界不断探索的精神和情感.4宇宙航行知识点一

宇宙速度1.牛顿曾设想:从高山上水平抛出一个物体,当抛出的速度足够大时,物体就不会落回地面,将成为环绕地球运动的人造地球卫星,如图所示.据此思考以下问题:(2)物体绕地球做圆周运动的向心力由什么力来提供?是否需要考虑太阳对它的引力?答案:由地球对物体的万有引力提供.不需要.答案:当抛出速度较小时,物体做平抛运动.当抛出速度足够大时,物体不再落回地面,而是环绕地球运动.(1)当抛出速度较小时,物体做什么运动?当抛出速度足够大物体不落回地面时,物体做什么运动?(3)试推导物体紧贴地面围绕地球做匀速圆周运动的速度大小.已知地球半径R=6400km,地球质量m地=5.98×1024kg,引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2.

2.阅读教材,完成下面的表格.宇宙速度数值含义第一宇宙速度①7.9km/s物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度②11.2km/s当飞行器的发射速度v≥③11.2km/s时,它就会克服地球的引力,永远离开地球第三宇宙速度④16.7km/s当飞行器的发射速度v≥⑤16.7km/s时,它就能挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系外知识点二人造地球卫星迄今为止,人类已经发射了数千颗人造地球卫星,目前在轨有效运行的卫星有上千颗,其中的通信、导航、气象等卫星已极大地改变了人类的生活.阅读教材,完成下列问题.1.

年10月4日,世界上第一颗人造地球卫星发射成功.2.1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星——

(名称)发射成功,开创了中国航天史的新纪元.1957东方红1号3.为我国航天事业做出特殊贡献,被誉为“中国航天之父”的科学家是

.4.地球同步卫星位于赤道上方高度约

处,因相对地面静止,也称静止卫星.地球同步卫星的转动方向与地球自转方向

(选填“相同”或“不相同”),周期与地球自转周期

(选填“相同”或“不相同”).

钱学森36000km相同相同知识点三载人航天与太空探索人类一直有“飞天”的梦想,万有引力定律的发现,不仅破解了天上行星的运行规律,也为人类开辟了上天的理论之路.阅读教材,完成下列问题.1.1961年4月12日,苏联航天员

进入“东方一号”载人飞船,飞船绕地球飞行一圈,然后安全降落在地面,铸就了人类首次进入太空的丰碑.2.1969年7月16日,运载“

”飞船的“土星5号”火箭点火升空,7月20日下午飞船登上月球.加加林阿波罗11号3.2003年10月15日9时,我国“

”宇宙飞船把中国第一位航天员

送入太空,截至2017年底,我国已将

名(14人次)航天员送入太空.4.2013年6月,“神舟十号”分别完成与“

”空间实验室的手动和自动交会对接;2016年10月19日,“神舟十一号”完成与“

”空间实验室的自动交会对接.2017年4月20日,我国又发射了货运飞船“

”.神舟五号杨利伟11天宫一号天宫二号天舟一号小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.第一宇宙速度是能使卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度.(

)2.人造地球卫星的最小绕行速度是7.9km/s.(

)3.如果在地面发射卫星的速度大于11.2km/s,卫星会永远离开地球.(

)4.要发射一颗人造月球卫星,在地面的发射速度应大于16.7km/s.(

)5.绕地球做圆周运动的人造卫星的速度可以是10km/s.(

)6.无论从哪个星球上发射卫星,发射速度都要大于7.9km/s.(

)√××××√探究一宇宙速度问题情境1.已知地球的质量为m地=5.98×1024kg,近地卫星绕地球做匀速圆周运动的轨道半径等于地球半径r=R=6.4×106m,地球表面附近的重力加速度g取9.8m/s2.请用两种方法推导地球的第一宇宙速度,并比较两种方法计算的结果.

2.如图所示,地球的两颗卫星均绕地球做匀速圆周运动.(1)环绕速度是卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度.试比较P、Q两颗卫星环绕速度的大小,并与第一宇宙速度做比较.

(2)发射速度是卫星在地面附近离开发射装置的初速度,一旦发射后再无能量补充.试比较发射P、Q两颗卫星需要的发射速度哪个大,并与第一宇宙速度比较.答案:因为发射卫星要克服地球对它的引力做功,向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星需要的能量大,所以发射卫星Q需要的发射速度更大.由于近地轨道最低,其需要的发射速度最小,故P、Q的发射速度均大于第一宇宙速度,第一宇宙速度是地球卫星最小的发射速度.3.不同天体的第一宇宙速度大小是否相等?第一宇宙速度的决定因素是什么?

过程建构1.第一宇宙速度(又叫环绕速度).v1=7.9km/s,就是近地卫星环绕地球做匀速圆周运动的线速度,也是卫星的最小发射速度.计算方法如下:方法一方法二任何天体都有自己的第一宇宙速度.2.第二宇宙速度(又叫脱离速度).v2=11.2km/s,就是卫星挣脱地球的引力需要的最小发射速度.当7.9km/s≤v发<11.2km/s时,卫星绕地球运动,且发射速度越大,卫星的轨道越高,绕行速度越小.3.第三宇宙速度(又叫逃逸速度).v3=16.7km/s,当11.2km/s≤v发<16.7km/s时,卫星绕太阳运转,成为太阳系的一颗“小行星”.4.所有的人造地球卫星都满足7.9km/s≤v发<11.2km/s,v环≤7.9km/s.【典例1】某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体,经时间t后,物体以速率v落回手中.已知该星球的半径为R,求该星球上的第一宇宙速度.

探究二人造地球卫星问题情境在地球的周围,有许多卫星在不同的轨道上绕地球转动,如图所示.甲乙1.这些卫星运动的向心力都是由什么力提供的?这些卫星的轨道平面有什么特点?答案:卫星运动的向心力由地球对卫星的万有引力提供,所有卫星的轨道平面都经过地心.2.这些卫星的线速度、角速度、周期跟什么因素有关呢?

3.为什么发射速度越大,运行速度反而更小呢?这是否违反了能量守恒定律?

过程建构1.地球人造卫星轨道特点.人造卫星的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆轨道.圆轨道的圆心都在地心,椭圆轨道其中一个焦点在地心.2.三类人造地球卫星轨道.(1)赤道轨道:卫星轨道在赤道平面,卫星始终处于赤道上方.(2)极地轨道:卫星轨道平面与赤道平面垂直,卫星通过两极上空.(3)一般轨道:卫星轨道和赤道成任一角度.【典例2】图中所示的轨道不可能是卫星绕地球运行的轨道的是(

)A.1

B.2

C.3

D.4解析:1是赤道轨道,2是极地轨道,3是一般轨道,4的圆心不在地心上,故4不可能是卫星绕地球运行的轨道.答案:D探究三地球同步卫星问题情境地球同步卫星是指相对于地面静止的人造卫星,又叫作通信卫星,地球上空分布着许多的同步卫星,如图所示.在地面上的人看来,它们始终静止不动.甲乙1.这些同步卫星是否真的静止不动呢?答案:这些地球同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动,且转动方向与地球自转方向相同,周期与地球自转周期相同,所以相对地球静止.2.这些同步卫星有什么共同的特点呢?

过程建构同步卫星的特点——六个“一定”.

答案:AC赤道上随地球自转的物体、近地卫星、同步卫星的比较比较项是不是卫星向心力情况轨道半径周期线速度赤道上随地球自转的物体不是万有引力的一部分提供向心力地球半径24h约0.47km/s近地卫星是万有引力全部提供向心力

地球半径85min7.9km/s同步卫星是万有引力全部提供向心力

约4.2×104km24h3.1km/s课堂评价答案:CD1.(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是 (

)A.第一宇宙速度v1=7.9km/s,第二宇宙速度v2=11.2km/s,人造卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度大于等于v1,小于v2B.美国发射的凤凰号火星探测卫星,其发射速度大于第三宇宙速度C.第二宇宙速度是在地面附近使物体可以挣脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度D.第一宇宙速度7.9km/s是人造地球卫星绕地球做圆周运动的最大运行速度答案:A2.已知地球的质量约为火星质量的10倍,地球的半径约为火星半径的2倍,地球的第一宇宙速度为7.9km/s,则航天器在火星表面附近绕火星做匀速圆周运动的速率约为(

)A.3.5km/s

B.5.0km/sC.17.7km/s

D.35.2km/s3.(2022·广东广州)2022年6月5日10时44分10秒,航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲乘坐“神舟十四号”载人飞船从酒泉卫星发射中心升空,飞船采取径向对接方式与天宫空间站实现对接.在对接过程中,神舟飞船轨道半径缓慢增大,可近似地看成在不同轨道上做稳定的圆周运动.关于对接过程中的“神州十四号”,下列选项正确的是()A.飞船中的航天员处于完全失重状态,因此万有引力等于0B.飞船飞行速度大于第二宇宙速度C.飞船运行周期变小D.飞船的加速度变小答案:D4.如图所示,A、B均为地球同步卫星,卫星A的质量大于卫星B的质量.下列说法正确的是(

)答案:BA.卫星A、B的线速度大小都是11.2km/sB.卫星A、B的运行轨道一定都在赤道正上空C.卫星A、B受到的万有引力大小相等D.卫星A、B的周期与地球绕太阳公转周期相同学科素养培优模型建构——卫星的变轨问题1.卫星从圆轨道Ⅰ转移到圆轨道Ⅲ需要经过如下过程,如图所示.

【典例】如图所示,某次发射同步卫星的过程如下:先将卫星发射至