2022-2023学年高一物理同步讲义（人教 ）7.4宇宙航行（学生版）

第七章万有引力与宇宙航行第4课宇宙航行目标导航目标导航课程标准核心素养1.掌握求解第一宇宙速度的两种方法，知道三个宇宙速度的含义.2.了解人造地球卫星的历史及现状，知道人造卫星的特点．1、物理观念：三个宇宙速度、同步卫星。2、科学思维：人造卫星的发射原理。3、科学探究：牛顿的关于人造卫星的设想。4、科学态度与责任：我国和世界航天事业发展的历史和前景，了解神舟飞船、空间站的发射与运行。知识精讲知识精讲知识点01宇宙速度1．第一宇宙速度的推导(1)已知地球质量m地和半径R，物体在地面附近绕地球的运动可视作运动，提供物体运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于，由eq\f(Gmm地,R2)＝meq\f(v2,R)，可得v＝eq\r(\f(Gm地,R)).(2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由＝meq\f(v2,R)得：v＝eq\r(gR).2．三个宇宙速度及含义数值意义第一宇宙速度km/s物体在绕地球做匀速圆周运动的速度第二宇宙速度km/s在地面附近发射飞行器使其克服引力，永远离开地球的最小地面发射速度第三宇宙速度km/s在地面附近发射飞行器使其挣脱引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度【即学即练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知识点02人造地球卫星1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功．【即学即练2】我国发射了一颗绕月运行的探月卫星“嫦娥一号”．设该卫星的轨道是圆形的，且贴近月球表面．已知月球的质量约为地球质量的eq\f(1,81)，月球的半径约为地球半径的eq\f(1,4)，地球上的第一宇宙速度约为7.9km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为()A．0.4km/s B．1.8km/sC．11km/s D．36km/s能力拓展能力拓展考法01三个宇宙速度1．第一宇宙速度(1)两个表达式思路一：万有引力提供物体运动所需的向心力，由Geq\f(Mm,R2)＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(\f(GM,R)).思路二：可近似认为重力提供物体运动所需的向心力，由mg＝meq\f(v2,R)得v＝eq\r(gR).(2)理解①“最小发射速度”：第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度．②“环绕速度”：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速度．2．第二宇宙速度在地面附近发射飞行器，使之能够克服地球的引力，永远离开地球所需的最小发射速度，其大小为11.2km/s.当发射速度7.9km/s<v0<11.2km/s时，飞行器绕地球运行的轨道是椭圆，且在轨道不同点速度大小一般不同．3．第三宇宙速度在地面附近发射飞行器，使之能够挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外的最小发射速度，其大小为16.7km/s.【典例1】截至2022年3月24日，我国首次火星探测任务“天问一号”环绕器在轨运行609天，距离地球2.77亿千米，当前运行正常．已知火星质量约为地球质量的10%，半径约为地球半径的50%，下列说法正确的是()A．火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度B．火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度考法02人造地球卫星1．人造地球卫星(1)卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步轨道)，可以通过两极上空(极地轨道)，也可以和赤道平面成任意角度，如图所示．(2)因为地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球做圆周运动的向心力，所以地心必定是卫星圆轨道的圆心．2．近地卫星、同步卫星、极地卫星和月球(1)近地卫星：地球表面附近的卫星，r≈R；线速度大小v≈7.9km/s、周期T＝eq\f(2πR,v)≈85min，分别是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大速度和最小周期．(2)同步卫星：位于地球赤道上方，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫同步通信卫星．(3)极地卫星：轨道平面与赤道平面夹角为90°的人造地球卫星，运行时能到达南北极上空．(4)月球绕地球的公转周期T＝27.3天，月球和地球间的平均距离约38万千米，大约是地球半径的60倍．【典例2】金星的半径是地球半径的eq\f(4,5)，质量是地球质量的eq\f(2,5)，忽略金星、地球自转的影响，金星表面的自由落体加速度与地球表面的自由落体加速度之比，金星的第一宇宙速度与地球的第一宇宙速度之比分别是()A．5∶81∶2 B．5∶8eq\r(2)∶2C．1∶2eq\r(2)∶2 D．1∶21∶2分层提分分层提分题组A基础过关练1．国际科研团队发现了两颗距离地球仅100光年的新行星，其中一颗可能适合生命生存。这两颗行星分别是LP890－9b（以下简称行星A）和LP890－9c（以下简称行星B）。行星A的半径约为8370公里，仅需2.7天就能绕恒星C一圈；行星B半径约为8690公里，8.5天能绕恒星C一圈，假设行星A、B绕恒星C做匀速圆周运动。则（

）A．行星A表面的重力加速度大于行星B表面的重力加速度B．行星A的公转轨道半径大于行星B的公转轨道半径C．行星A的公转速度大于行星B的公转速度D．行星A的公转角速度小于行星B的公转角速度2．神舟十四号载人飞船于2022年6月5日成功发射并按照预定程序与空间站进行自主快速交会对接。若空间站位于距地面高度为的近地圆轨道运行，另一卫星A位于距地面高度为圆轨道运行，地球半径为，地球表面重力加速度为g，则（）A．空间站组合体的加速度大小为B．空间站的周期与卫星A的周期之比为C．空间站的加速度与卫星A的加速度之比为2:1D．空间站的线速度与卫星A的线速度之比为2:13．中国空间站“天宫”绕地球做匀速圆周运动，距地面高度约为400km。已知地球同步卫星距地面高度约为36000km，下列说法正确的是（

）A．中国空间站“天宫”的运动周期比地球近地卫星运动周期小B．中国空间站“天宫”的向心加速度比地球近地卫星向心加速度大C．中国空间站“天宫”的运行速度比地球同步卫星运行速度小D．中国空间站“天宫”的运动周期比地球同步卫星运动周期小4．2021年6月17日，神舟十二号载人飞船与天和核心舱成功对接，对接过程如图所示，天和核心舱处于半径为的圆轨道Ⅲ；神舟十二号飞船处于半径为的圆轨道Ⅰ，当经过A点时，通过变轨操作后，沿椭圆轨道Ⅱ运动到B处与核心舱对接，则神舟十二号飞船（）A．沿轨道Ⅰ运行的速度小于天和核心舱沿轨道Ⅲ运行的速度B．在轨道Ⅰ上运动经过A点的加速度小于在轨道Ⅱ上运动经过A点的加速度C．沿轨道Ⅱ从A运动到B的过程中，动能不断增大D．在轨道Ⅰ上运行的周期小于在轨道Ⅱ上运行的周期5．（多选）2022年11月12日10时03分，搭载天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭，在文昌航天发射场点火发射。天舟五号货运飞船与火箭成功分离并进入预定轨道，入轨后顺利完成状态设置，于11月12日12时10分，采取自主快速交会对接模式，成功对接于轨道高度约为400km空间站“天和”核心舱后向端口。交会对接完成后，天舟五号将转入组合体飞行阶段。此次任务，首次实现了两小时自主快速交会对接，创造了世界纪录。已知对接后组合体所绕轨道视为圆轨道，绕行周期为T，距地高度为nR，R为地球半径，万有引力常量为G。下列说法中正确的是（）A．天舟五号货运飞船的发射速度大于“天和”核心舱的环绕速度B．组合体的线速度小于第一宇宙速度C．应先将天舟五号货运飞船送入核心舱的同一轨道，再加速以实现对接D．地球表面重力加速度为6．（多选）中国行星探测任务名称为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”。若已知“天问一号”探测器在距离火星中心为的轨道上做匀速圆周运动，其周期为。火星半径为，自转周期为。引力常量为，若火星与地球运动情况相似，下列说法正确的是（）A．火星的质量为B．火星表面两极的重力加速度为C．“天问一号”探测器环绕速度为D．火星的同步卫星距离星球表面高度为题组B能力提升练7．（多选）2022年11月30日，“神州十五号”载人飞船与中国太空站“天和核心舱”完成自主对接。对接前“神州十五号”在较低轨道运行，“天和核心舱”在较高轨道运行，它们都绕地球近似做匀速圆周运动，运行轨道如图所示，下列说法正确的是（

）A．“神州十五号”和“天和核心舱”都处于平衡状态B．“神州十五号”运行时的向心力比“天和核心舱”大C．“神州十五号”运行的周期比“天和核心舱”小D．“神州十五号”运行时的线速度比“天和核心舱”大8．（多选）宇宙中两颗相距很近的恒星常常组成一个双星系统，它们以相互间的万有引力彼此提供向心力，而使它们绕着某一共同的圆心做匀速圆周运动，若已知它们的运转周期为T，这两恒星到某一共同圆心的距离分别为和。则关于这两颗恒星的说法正确的是（）A．这两颗恒星的质量之比等于m1：m2=R1：R2B．这两颗恒星的质量之和为C．其中必有一颗恒星的质量为D．这两颗恒星匀速圆周运动的线速度大小之比为v1：v2=R2：R19．（多选）中国“雪龙号”南极科考船上的科研人员，在经过赤道时测量的重力加速度大小为g，到达南极后，在南极附近测得的重力加速度大小为，已知地球的自转周期为T，引力常量为G，假设地球是均匀球体。则下列说法正确的是（

）A．地球的密度为B．地球的半径为C．地球的第一宇宙速度为D．若地球的自转角速度变为原来的倍时，地球赤道上的物体对地面的压力为零10．（多选）宇宙空间有两颗相距较远、中心距离为的星球和星球B。在星球上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把物体P轻放在弹簧上端，如图（a）所示，P由静止向下运动，其加速度与弹簧的压缩量间的关系如图（b）中实线所示。在星球B上用完全相同的弹簧和物体P完成同样的过程，其关系如图（b）中虚线所示。已知两星球密度相等。星球的质量为，引力常量为。假设两星球均为质量均匀分布的球体。则下列判断正确的是（

）A．星球B的质量为B．星球和星球B的表面重力加速度的比值为2C．若星球绕星球B做匀速圆周运动，则星球的运行周期D．若将星球、B看成是远离其他星球的双星模型，则它们的周期题组C培优拔尖练11．我国的航空航天事业取得了巨大成就。根据新闻报道2025年前后，我国将发射了“嫦娥六号”探月卫星。假设“嫦娥六号”的质量为，它将绕月球做匀速圆周运动时距月球表面的距离为h。已知引