新人教版高中物理必修第二册学案：7.4　宇宙航行

新人教版高中物理必修第二册PAGEPAGE1宇宙航行核心素养目标物理观念知道三个宇宙速度及含义，了解卫星的分类。科学思维会推导第一宇宙速度，掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。科学态度与责任了解人类在宇宙探索方面的重要成就，培养应用物理规律造福人类的意识。知识点一宇宙速度[观图助学]水平速率v1不够大，因此炮弹将落到地上。当炮弹具有更大的初速度v2时，将飞得更远。当炮弹的水平速率v3足够大时，炮弹将环绕地球运动。1.环绕速度一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，设地球的质量为m地，卫星的质量为m，向心力由地球对它的万有引力提供，即Geq\f(mm地,r2)＝meq\f(v2,r)，则卫星在轨道上运行的线速度v＝eq\r(\f(Gm地,r))。2.第一宇宙速度(1)定义：物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫作第一宇宙速度。(2)大小：v＝7.9km/s。3.第二宇宙速度在地面附近发射飞行器，如果速度大于7.9_km/s，又小于11.2km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。当飞行器的速度等于或大于11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地球。我们把11.2_km/s叫作第二宇宙速度。4.第三宇宙速度在地面附近发射飞行器，如果要使其挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，必须使它的速度等于或大于16.7km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。[思考判断](1)第一宇宙速度是发射卫星的最小速度。(√)(2)当发射速度v＞7.9km/s时，卫星将脱离地球的吸引，不再绕地球运动。(×)(3)地球所有的卫星在轨道上的运行速度都为7.9km/s。(×)三个宇宙速度发射速度与环绕速度不同。发射速度是将卫星送入轨道，在地面上所必须获得的速度。环绕速度是卫星发射成功后，环绕地球运行时的速度。知识点二人造地球卫星、载人航天与太空探索[观图助学]你知道哪些我国最近发射的人造卫星？它们是地球同步卫星吗？1.人造地球卫星(1)1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1970年4月24日，我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射成功。(2)地球同步卫星(ⅰ)概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同周期的卫星，叫作地球同步卫星。(ⅱ)特点：六个“一定”①转动方向一定：和地球自转方向一致；②周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24h；③角速度一定：等于地球自转的角速度；④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的正上方，其轨道平面必须与赤道平面重合；⑤高度一定：离地面高度固定不变(约3.6×104km)；⑥速率一定：线速度大小一定(约3.1×103m/s)。2.载人航天与太空探索1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。1969年7月16日9时32分，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。2003年10月15日9时，我国神舟五号宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。2013年6月，神舟十号分别完成与天宫一号空间站的手动和自动交会对接。2016年10月19日，神舟十一号完成与天宫二号空间站的自动交会对接。2017年4月20日，我国又发射了货运飞船天舟一号，入轨后与天宫二号空间站进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接及多项实验。,航天器种类繁多，分无人航天器(人造地球卫星、空间探测器等)和载人航天器(载人飞船、空间站、航天飞机等)两类。如下所示。中国第一位航天员杨利伟核心要点一宇宙速度[问题探究]发射卫星，要有足够大的速度才行。(1)怎样求地球的第一宇宙速度？不同星球的第一宇宙速度是否相同？(2)把卫星发射到更高的轨道上需要的发射速度越大还是越小？答案(1)根据Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)，v＝eq\r(\f(GM,R))，可见第一宇宙速度由地球的质量和半径决定。不同。(2)轨道越高，需要的发射速度越大。[探究归纳]1.第一宇宙速度：第一宇宙速度是人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的速度。2.第一宇宙速度的计算式(1)由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)推导可得v＝eq\r(\f(GM,R))。eq\a\vs4\al(也适用于其他星体的卫星)(2)由mg＝meq\f(v2,R)推导可得v＝eq\r(gR)。3.第一宇宙速度的理解v＝7.9km/s是最小的发射速度(1)“最小发射速度”：向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星困难，因为发射卫星要克服地球对它的引力。近地轨道是人造卫星的最低运行轨道，而近地轨道的发射速度就是第一宇宙速度，所以第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度。v＝7.9km/s是最大环绕速度(2)“最大环绕速度”：在所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星中，近地卫星的轨道半径最小，由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)可得v＝eq\r(\f(GM,r))，轨道半径越小，线速度越大，所以在这些卫星中，第一宇宙速度是所有环绕地球做匀速圆周运动的卫星的最大环绕速度。[试题案例][例1](多选)下列关于三种宇宙速度的说法中正确的是()A.第一宇宙速度v1＝7.9km/s，第二宇宙速度v2＝11.2km/s，则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解析根据v＝eq\r(\f(GM,r))可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的环绕速度越小，v1＝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，选项D正确；实际上，由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径，故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度，选项A错误；美国发射的“凤凰号”火星探测卫星，仍在太阳系内，所以其发射速度小于第三宇宙速度，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，选项C正确。答案CD[例2]若取地球的第一宇宙速度为8km/s，某行星质量是地球的6倍，半径是地球的1.5倍，此行星的第一宇宙速度约为()A.16km/s B.32km/sC.4km/s D.2km/s解析第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，对于近地卫星，其轨道半径近似等于星球半径，所受万有引力提供其做匀速圆周运动的向心力，根据万有引力定律和牛顿第二定律得Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)解得v＝eq\r(\f(GM,r))因为行星的质量M′是地球质量M的6倍，半径R′是地球半径R的1.5倍，故eq\f(v′,v)＝eq\f(\r(\f(GM′,R′)),\r(\f(GM,R)))＝eq\r(\f(M′R,MR′))＝2即v′＝2v＝2×8km/s＝16km/s，A正确。答案A方法总结第一宇宙速度的计算方法对于任何天体，计算第一宇宙速度时，都是根据万有引力提供向心力的思路，卫星的轨道半径等于天体的半径，由牛顿第二定律列式计算。(1)如果知道天体的质量和半径，可直接列式计算。(2)如果不知道天体的质量和半径的具体数值，但知道该天体与地球的质量、半径关系，可分别列出天体与地球环绕速度的表达式，用比例法进行计算。[针对训练1](多选)国家航天局探月与航天工程中心表示，2020年我国首次实施火星探测任务，并计划实现对火星的全球性、综合性环绕探测。已知火星的质量约为地球质量的eq\f(1,9)，火星的半径约为地球半径的eq\f(1,2)。下列关于火星探测器的说法中正确的是()A.发射速度只要大于第一宇宙速度即可B.发射速度只有达到第三宇宙速度才可以C.发射速度应大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度D.火星探测器环绕火星运行的最大速度为地球第一宇宙速度的eq\f(\r(2),3)解析根据三个宇宙速度的意义，可知选项A、B错误，C正确；已知M火＝eq\f(M地,9)，R火＝eq\f(R地,2)，则eq\f(vm,v1)＝eq\r(\f(GM火,R火))∶eq\r(\f(GM地,R地))＝eq\f(\r(2),3)，选项D正确。答案CD核心要点二人造地球卫星运行物理量分析[问题探究]如图所示，在地球的周围，有许多的卫星在不同的轨道上绕地球转动。(1)这些卫星的轨道平面有什么特点？(2)这些卫星的线速度、角速度、周期、向心加速度等跟什么因素有关呢？答案(1)轨道平面过地心。(2)与轨道半径有关。[探究归纳]1.人造卫星的三种轨道(1)赤道轨道：卫星轨道在赤道所在平面上，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，卫星经过两极上空。(3)一般轨道：卫星轨道平面和赤道平面成一定角度(不等于0或90°)，如图所示。2.人造卫星的运行规律：人造卫星的运行规律类似行星运行规律。万有引力提供向心力[试题案例][例3](多选)三颗人造地球卫星A、B、C绕地球做匀速圆周运动，如图所示，已知mA＝mB＜mC，则对于三颗卫星，正确的是()A.运行线速度关系为vA＞vB＝vCB.运行周期关系为TA＜TB＝TCC.向心力大小关系为FA＝FB＜FC利用牛顿第二定律D.半径与周期关系为eq\f(Req\o\al(3,A),Teq\o\al(2,A))＝eq\f(Req\o\al(3,B),Teq\o\al(2,B))＝eq\f(Req\o\al(3,C),Teq\o\al(2,C))利用开普勒第三定律解析由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)得v＝eq\r(\f(GM,r))，所以vA＞vB＝vC，选项A正确；由Geq\f(Mm,r2)＝mreq\f(4π2,T2)得T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，所以TA＜TB＝TC，选项B正确；由Geq\f(Mm,r2)＝ma得a＝eq\f(GM,r2)，所以aA＞aB＝aC，又mA＝mB＜mC，所以FA＞FB，FB＜FC，选项C错误；三颗卫星都绕地球运行，故由开普勒第三定律得eq\f(Req\o\al(3,A),Teq\o\al(2,A))＝eq\f(Req\o\al(3,B),Teq\o\al(2,B))＝eq\f(Req\o\al(3,C),Teq\o\al(2,C))，选项D正确。答案ABD[针对训练2]2018年6月2日我国的“高分六号”在酒泉卫星发射中心发射成功，假设在轨运行的“高分六号”卫星、同步卫星和月球都绕地球做匀速圆周运动，它们在空间的位置示意图如图所示。下列有关“高分六号”卫星的说法正确的是()A.其发射速度可能小于7.9km/sB.绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度小C.绕地球运行的周期比同步卫星绕地球运行的周期小D.在运行轨道上完全失重，重力加速度为0解析卫星发射的最小速度为7.9km/s，故“高分六号”的发射速度一定不小于7.9km/s，故A错误；根据万有引力提供向心力有Geq\f(Mm,r2)＝mω2r，得ω＝eq\r(\f(GM,r3))，即轨道半径越大，角速度越小，由于“高分六号”的轨道半径小于月球的轨道半径，故“高分六号”绕地球运行的角速度比月球绕地球运行的角速度大，故B错误；根据万有引力提供向心力得Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(4π2,T2)r，得T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，可知卫星的轨道半径越小，周期越小，由于“高分六号”的轨道半径小于同步卫星的轨道半径，故“高分六号”绕地球运行的周期比同步卫星的周期小，故C正确；卫星在轨运行时，万有引力完全提供向心力，故在运行轨道上完全失重，Geq\f(Mm,r2)＝mg′，故重力加速度g′＝eq\f(GM,r2)，不为0，故D错误。答案C核心要点三航天事业改变着人类的生活20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了太空这一全新活动领域。1.卫星通信和卫星广播：通过卫星实现越洋通话、实时收看世界各地发来的电视新闻。2.“静止”在赤道上空的同步气象卫星把广阔视野内的气象数据发回地面，3颗同步卫星就可以形成一条南北纬50°之间的全球观测带。再配合几颗纵穿地球两极的极轨卫星，就能形成全球气象卫星观测系统，为天气预报提供全面、及时的气象资料。用卫星监测厄尔尼诺现象。不同的颜色代表海平面高度与正常水平的差值3.卫星引起了船舶、飞机导航技术的重大变化。利用全球卫星定位系统导航的各种汽车已经奔驰在城市的道路上。4.地球资源卫星：应用于勘测海洋和水利资源、调查地下矿藏、监视自然灾害、观测环境污染等方面。国产车载GPS根据卫星信号确定汽车位置，利用电脑储存的电子地图，用语音向驾驶员提出建议5.军用卫星：已经成为指挥系统和武器系统的重要组成部分，侦察卫星、军用通信卫星、军用导航卫星以及空中预警飞机构成了现代防务的“神经中枢”。6.由于失重现象，航天器是一个微重力实验室，在这样的条件下，可以研制高纯度大单晶、超高纯度金属，进行各种物理、化学、生物、医学等学科的研究。太空环境的另一个特点是高强度的辐射。它一方面对宇航员造成威胁；另一方面，它可以诱导生物基因的变异，受辐射的植物种子就有可能变为具有优良性状的新品种。[例4]中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。2020年左右北斗卫星导航系统可以形成全球覆盖能力。如图所示是北斗卫星导航系统中部分卫星的轨道示意图，已知a、b、c三颗卫星均做圆周运动，a是地球同步卫星，则()A.卫星a的角速度小于c的角速度B.卫星a的加速度大于b的加速度C.卫星a的运行速度大于第一宇宙速度D.卫星b的周期大于24h解析由万有引力提供向心力有Geq\f(Mm,r2)＝mω2r＝meq\f(4π2,T2)r＝meq\f(v2,r)＝ma，得ω＝eq\r(\f(GM,r3))，a＝eq\f(GM,r2)，v＝eq\r(\f(GM,r))，T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，a的轨道半径大于c的轨道半径，因此卫星a的角速度小于c的角速度，选项A正确；a的轨道半径与b的轨道半径相等，因此卫星a的加速度等于b的加速度，选项B错误；a的轨道半径大于地球半径，因此卫星a的运行速度小于第一宇宙速度，选项C错误；a的轨道半径与b的轨道半径相等，卫星b的周期等于a的周期，为24h，选项D错误。答案A[针对训练3]2018年11月1日，我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十一颗北斗导航卫星，是我国北斗三号系统第十七颗组网卫星，它是地球同步卫星，设地球自转角速度一定，下面关于该卫星的说法正确的是()A.它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度B.它沿着与赤道成一定角度的轨道运动C.运行的轨道半径可以有不同的取值D.如果需要可以发射到北京上空解析地球的同步卫星与地球自转的周期相同，故它绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度，选项A正确；它的轨道平面与赤道平面重合，即只能定点在赤道的上空，选项B、D错误；根据Geq\f(Mm,r2)＝mω2r可知，运行的轨道半径是固定的值，选项C错误。答案A1.关于宇宙速度的说法正确的是()A.第一宇宙速度是人造地球卫星运行时的最大速度B.第一宇宙速度是地球同步卫星的发射速度C.人造地球卫星运行时的速度介于第一宇宙速度和第二宇宙速度之间D.第三宇宙速度是物体逃离地球的最小速度解析第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度，同时也是人造地球卫星的最大运行速度，故A正确，B、C错误；第二宇宙速度是物体逃离地球的最小速度，D错误。答案A2.(多选)2018年6月5日“风云二号H星”在西昌卫星发射中心发射成功，“风云二号H星”是静止轨道气象卫星，将与在轨的风云二号E、F、G星开展组网观测，对于保证我国两代静止轨道气象卫星业务持续有着重要意义，“天宫二号”的运行轨道高度为350km，它们的运行轨道均视为圆周，则()A.“天宫二号”比“风云二号H星”速度大B.“天宫二号”比“风云二号H星”周期长C.“天宫二号”比“风云二号H星”角速度大D.“天宫二号”比“风云二号H星”加速度大解析由于r天<r风，由Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)＝mrω2＝mreq\f(4π2,T2)＝ma，得v＝eq\r(\f(GM,r))，故A正确；ω＝eq\r(\f(GM,r3))，T＝2πeq\r(\f(r3,GM))，故B错误，C正确；a＝eq\f(GM,r2)，故D正确。答案ACD3.(多选)下面关于同步卫星的说法中正确的是()A.所有的地球同步卫星都位于地球的赤道平面内B.所有的地球同步卫星的质量都相等C.它运行的线速度一定小于第一宇宙速度D.它可以定位在桂林的正上空解析同步卫星运行轨道只能位于地球赤道平面内，故选项A正确，D错误；根据Geq\f(Mm,r2)＝meq\f(v2,r)可知，卫星的质量m在等式两边约去了，同步卫星的质量可以不等，故选项B错误；第一宇宙速度是近地卫星的环绕速度，也是最大的环绕速度，而同步卫星的轨道半径要大于近地卫星的轨道半径，则同步卫星运行的线速度一定小于第一宇宙速度，故选项C正确。答案AC