【导学案】2021年高中物理人教版必修二教师用书-6.5-宇宙航行

课时6.5宇宙航行1.了解人造地球卫星的最初构想。2.会解决涉及人造地球卫星运动的较简洁的问题。3.知道三个宇宙速度的含义和数值,会推导第一宇宙速度。4.了解人类及我国取得的航天成就。重点难点:第一宇宙速度的推导过程和方法,以及争辩天体运动的基本思路与方法。教学建议:解决卫星的运动问题,其依据都是万有引力供应向心力,列出相应的方程,就可得出向心加速度、线速度、角速度、周期跟轨道半径的关系。通过例题和练习,挂念同学把握这一基本方法。对于卫星运行的轨道,要引导同学依据万有引力供应向心力,说明无论卫星绕地球运动的圆轨道在哪个平面内,圆轨道的圆心都是地心。导入新课:2021年12月初“嫦娥三号”由“长征三号乙”运载火箭从西昌卫星放射中心放射。它携带中国的第一艘月球车登月,并实现了中国首次月面软着陆。“嫦娥三号”是怎样到达月球的呢?人类如何才能走向太空?1.人造卫星(1)人造卫星的运动可近似地看作匀速圆周运动,其向心力就是地球对它的①万有引力。(2)由于向心力有多种表示形式,因此G=m=mω2r=m()2r,由此得出卫星的线速度v、角速度ω、周期T与轨道半径r的关系为v=②、ω=③、T=④2π。(3)卫星的轨道半径确定后,其线速度、角速度和周期也唯一确定,与卫星的⑤质量无关,即同一轨道上的不同卫星具有相同的周期、线速度及角速度,而且对于不同的轨道,轨道半径越小,卫星线速度和角速度⑥越大,周期⑦越小。2.宇宙速度(1)第一宇宙速度:使卫星能环绕地球运行所需的⑧最小放射速度,其大小v1=⑨7.9km/s,(2)其次宇宙速度:使人造卫星脱离地球的引力束缚,不再绕地球运行,从地球表面放射所需的最小速度,其大小为v2=⑩11.2km/s,(3)第三宇宙速度:使物体脱离太阳的束缚而飞离太阳系,从地球表面放射所需的最小速度,其大小为v3=16.7km/s,也叫逃逸速度。1.假如没有万有引力作用,在地面上水平射出的炮弹会做什么运动?(地球看作均匀球体)解答:直线运动。2.依据火箭放射的实况转播状况,你认为点火后火箭的速度是否马上达到了第一宇宙速度?解答:没有马上达到第一宇宙速度,火箭的速度是渐渐增加的。3.火箭放射升空后会绕地球做圆周运动,一般来说其绕行的方向与地球自转方向相同还是相反?解答:相同,借地球自转的惯性可以节省能量。主题1:计算第一宇宙速度问题:阅读教材“宇宙速度”标题下面的内容,回答下列问题。(1)若已知G=6.67×10-11N·m2/kg2,地球质量M=5.98×1024kg,地球半径R=6400km,则大炮至少以多大的水平初速度放射炮弹,炮弹才能绕地球表面运动不会落下来,(2)若地球质量未知,而知道地球表面处的重力加速度和地球半径,如何求得第一宇宙速度?解答:(1)设炮弹质量为m,万有引力供应炮弹做圆周运动的向心力G=m,v==m/s=7.9km(2)在地面四周,重力等于万有引力,此力供应卫星做匀速圆周运动的向心力。(地球半径R、地面重力加速度g已知)由mg=m得v==m/s=7.9km学问链接:计算第一宇宙速度时,不考虑空气阻力并把地球看作均匀的球体第一宇宙速度即是放射速度,也是卫星绕地球表面运行的速度。主题2:放射速度和绕行速度问题:(1)放射速度和卫星绕地球运行的速度是不是同一速度?(2)将卫星送入低轨道和送入高轨道所需要的放射速度哪一个更大?(3)假如放射卫星的速度大于第一宇宙速度小于其次宇宙速度,卫星运动轨道是怎样的?解答:(1)放射速度与环绕速度不同。放射速度是将卫星送入轨道,在地面上所必需获得的速度。环绕速度是卫星放射成功后,环绕地球运行时的速度。(2)送入高轨道所需要的放射速度大。(3)卫星绕地球运动,其轨道为椭圆,地球在椭圆的一个焦点上。学问链接:第一宇宙速度是卫星绕地球运动的最大运行速度,也是最小放射速度。三个宇宙速度分别是在三种不同状况下,在地面四周的最小放射速度。主题3:人造地球卫星的环绕速度与周期问题:(1)人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,那么它的向心力是由什么力供应的?(2)设地球质量为M,卫星质量为m,轨道半径为r。人造卫星的运行速度与半径有什么关系?(3)人造卫星运行周期与轨道半径有怎样的关系?解答:(1)人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动,地球与卫星间的万有引力供应向心力。(2)由G=,得v=,此即为人造卫星绕地球做匀速圆周运动时的线速度。说明轨道半径越大,卫星做圆周运动的线速度就越小;当r=R(R为地球半径)时,卫星绕地面运行,v==7.9km/s,这是第一宇宙速度(3)由G=mr,得T=2π。说明轨道半径越大,卫星做圆周运动的周期就越大,即所需时间越长;当r=R(R为地球半径)时,T=2π,这是卫星绕地球做圆周运动时所需的最短时间,将地球的质量、半径代入求得最短周期为84.8min。学问链接:天体运动的“三驾马车”。①天体环绕速度公式v=。②天体环绕周期公式T=2π。当题目涉及天体的运行速度、周期时,这两公式格外有用。③地球表面重力加速度公式g=,变形后就能得出一个重要的变换,即GM=R2g主题4:探究太空大事记问题:(1)1957年10(2)1961年4月12(3)1969年7月20(4)1970年4月24(5)2003年10月15号中国第一艘载人飞船进入太空,这艘飞船叫什么?宇航员是谁?(6)2021年9月什么探测器经受36年旅程后飞出太阳系?解答:(1)前苏联;(2)前苏联的加加林;(3)美国的“阿波罗”11号;(4)“东方红”一号;(5)“神舟”五号,杨利伟;(6)美国的“旅行者”1号。学问链接:宇宙是一切空间和时间的总和。太阳系只是银河系中微小的一部分,银河系只是众多星系中的一个。1.人造卫星环绕地球运转的速率v=,其中g为地面处的重力加速度,R为地球半径,r为卫星离地球中心的距离。下列说法正确的是()。A.从公式可见,环绕速度与轨道半径的平方根成反比B.从公式可见,把人造卫星放射到越远的地方越简洁C.上面环绕速度的表达式是错误的D.以上说法都错误【解析】由G=m,得v==,所以选项A正确。式中v是环绕速度并非放射速度,所以选项B错误。【答案】A【点评】依据一个关系式来推断两个可变物理量的关系的前提是其他的物理量不变。2.第一宇宙速度是物体在地球表面四周环绕地球做匀速圆周运动的速度,则有()。A.被放射的物体质量越大,第一宇宙速度越大B.被放射的物体质量越小,第一宇宙速度越大C.第一宇宙速度与被放射物体的质量无关D.第一宇宙速度与地球的质量有关【解析】第一宇宙速度v=与地球质量M有关,与被放射物体的质量无关。【答案】CD【点评】卫星绕地球在某一轨道上运行,它的运行速度与卫星的质量无关。3.关于地球同步通信卫星,下列说法正确的是()。A.它肯定在赤道上空运行B.各国放射的这种卫星轨道半径都一样C.它运行的线速度肯定小于第一宇宙速度D.它运行的线速度介于第一宇宙速度和其次宇宙速度之间【解析】地球同步卫星肯定位于赤道上空,故选项A正确;依据万有引力供应向心力可知,地球同步卫星的轨道是确定的,故选项B正确;稳定运行时v=,故同步卫星的速度小于第一宇宙速度,选项C正确、选项D错误。【答案】ABC【点评】同步卫星相对地球是静止的,离地心的距离大约是3.6×1044.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,其次宇宙速度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v1B.美国放射的“凤凰”号火星探测卫星,其放射速度大于第三宇宙速度C.其次宇宙速度是使物体可以摆脱地球引力束缚,成为绕太阳运行的人造行星的最小放射速度D.第一宇宙速度7.9km【解析】依据v=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;其余绕地球运动的卫星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;美国放射的“凤凰”号火星探测卫星,仍在太阳的引力范围内,所以其放射速度小于第三宇宙速度,选项B错误;其次宇宙速度是物体摆脱地球束缚,而成为一颗绕太阳运行的人造行星的最小放射速度,选项【答案】CD【点评】实际上飞行器的速度都不是一步提升到位的。拓展一、对卫星运动问题的分析1.如图所示,a、b、c是大气层外圆形轨道上运行的三颗人造地球卫星,a、b质量相同且小于c的质量,下列说法中正确的是()。A.b、c的线速度大小相等,且大于a的线速度B.b、c的向心加速度相等,且大于a的向心加速度C.b、c的周期相等,且大于a的周期D.b、c的向心力相等,且大于a的向心力【分析】认真观看卫星的轨迹图,找出卫星所在的轨道位置,推断出轨道半径的大小,然后选用相应的公式比较各物理量的关系。【解析】a、b、c三颗人造地球卫星做圆周运动所需的向心力都是由地球对它们的万有引力供应。由牛顿其次定律得:G=m=mr=ma(M为地球的质量,m为卫星的质量)所以v=∝,与卫星质量无关,由图知rb=rc>ra,则vb=vc<va,A选项错误;a=∝,与卫星质量无关,由rb=rc>ra,得ab=ac<aa,B选项错误;T=∝,与卫星质量无关,由rb=rc>ra,得Tb=Tc>Ta,C选项正确;F=G∝,与质量m和半径r有关,由ma=mb<mc,rb=rc>ra,知>,即F向a>F向b,>,即F向b<F向c,与无法比较,D选项错误。【答案】C【点评】在争辩有关卫星的题目时,关键要明确以下几点。①不管是定性分析还是定量计算,都要依据下列关系式加以争辩:G=m=mr=maa.全部运动学量都是r的函数。我们应当建立函数的思想。b.运动学量v、a、ω、f随着r的增加而减小,只有T随着r的增加而增加。c.任何卫星的环绕速度不大于7.9km/s,运动周期不小于d.学会总结规律,机敏运用规律解题也是一种重要的学习方法。②“黄金代换式”:在地球表面或地面四周的物体所受的重力等于地球对物体的引力,即mg=,gR2=GM。拓展二、对同步卫星的理解与辨析2.已知地球半径R=6400km,地球表面的重力加速度为g,取9.8m/s2,若放射一颗地球同步卫星,【分析】同步卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力供应,地球表面上的物体所受的重力与地球对它的万有引力相等,且同步卫星的隐含条件:周期T=24h。【解析】设地球同步卫星的质量为m,离地面的高度为h,地球的质量为M,周期T等于地球的自转周期24h。同步卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力供应,有G=m(R+h)在地球表面上质量为m'的物体所受的重力与地球对它的引力相等,即G=m'g由上式联立解得:h=-R=3.59×10又G=m得v==3.08×103m【答案】3.59×107m3.08×【点