7.4　宇宙航行-2021-2022学年高一物理教学一体案（人教版2019必修第二册）

§7-3　万有引力理论的成就 一、学习目标 1.会推导第一宇宙速度，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，认识同步卫星的特点. 3.了解人类对太空的探索历程和我国载人航天工程的发展． 二、学习过程 【问题探究】不同天体的第一宇宙速度是否相同？第一宇宙速度的决定因素是什么？ 【答案】　一般不同．由＝m得，第一宇宙速度v＝，可以看出，第一宇宙速度的值取决于中心天体的质量M和半径R，与卫星无关． 【知识点1】宇宙速度 1．牛顿的设想 如图所示，把物体从高山上水平抛出，如果抛出速度足够大，物体就不会落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星． 2．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为匀速圆周运动，万有引力提供物体运动所需的向心力，轨道半径r近似认为等于地球半径R，由＝m，可得v＝. (2)已知地面附近的重力加速度g和地球半径R，由mg＝m得：v＝. (3)三个宇宙速度及含义 数值 意义 第一宇宙速度 7.9 km/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 11.2 km/s 在地面附近发射飞行器使其克服地球引力，永远离开地球的最小地面发射速度 第三宇宙速度 16.7 km/s 在地面附近发射飞行器使其挣脱太阳引力束缚，飞到太阳系外的最小地面发射速度 例题1、关于第一宇宙速度，下列说法正确的是 A. 它是人造地球卫星绕地球运行的最小速度 B. 它是使卫星进入近地圆轨道的最大发射速度 C. 它是近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度 D. 它是卫星在椭圆轨道上运行时在远地点的速度 【答案】C 【解析】解：、物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度，在地面附近发射飞行器，如果速度大于，而小于，它绕地球飞行的轨迹就不是圆，而是椭圆。 故它是人造地球卫星在近地圆轨道上的运行速度，也是卫星进入近地圆形轨道的最小发射速度，因而AB错误； C、人造卫星在圆轨道上运行时，运行速度，轨道半径越大，速度越小，故第一宇宙速度是卫星在圆轨道上运行的最大速度，即近地圆轨道上人造地球卫星的运行速度，因而C正确； D、在地面附近发射飞行器，如果速度大于，而小于，它绕地球飞行的轨迹就不是圆，而是椭圆，故在椭圆轨道上运行的卫星，在近地点的速度均大于，远地点的速度不能确定，因而D错误； 故选：。 例题2、某人在某星球上做实验，在星球表面水平放一长木板，在长木板上放一木块，木板与木块之间的动摩擦因数为。现用一弹簧测力计拉木块，当弹簧测力计示数为时，经计算发现木块的加速度为，木块质量为。若该星球的半径为，则在该星球上发射卫星的第一宇宙速度是多少 【答案】解：设该星球表面加速度为，则对木块受力分析，由牛顿运动定律知 解得： 设第一宇宙速度，根据万有引力充当向心力知 又 由知： 答：该星球上发射卫星的第一宇宙速度是． 【解析】对木块受力分析，由牛顿运动定律求解重力加速度，根据和求解第一宇宙速度． 本题要掌握第一宇宙速度的定义，正确利用万有引力公式列出第一宇宙速度的表达式；同时注意认真审题，根据牛顿运动定律求解重力加速度． 例题3、若在地面上沿水平方向直接发射一飞行器，如果发射速度大于，小于，不计空气阻力则它将 A. 围绕地球做圆周运动 B. 围绕地球做椭圆运动 C. 挣脱地球的束缚绕太阳运动 D. 挣脱太阳的束缚飞离太阳系 【答案】B 【解析】解：根据万有引力提供向心力公式：，在半径一定的情况下，速度越大，所需要的向心力越大。如果向心力不足，物体将做离心运动。物体在地球表面轨道上运动时，受到的向心力刚好对应的速度就是。超过就要做离心运动。而要完全脱离地球引力，需要的速度为。 所以，当速度在之间时。人造卫星既不能保持在地球附近做圆周运动，又无法完全逃离地球。最终轨迹就是一个椭圆，故B正确，ACD错误。 故选：。 当提供的外力等于物体做圆周运动需要的向心力时，物体做匀速圆周运动，当提供的外力小于物体做圆周运动所需的向心力时，物体做离心运动，当提供的外力大于物体做圆周运动所需的向心力时，物体做近心运动． 理解并能应用物体做圆周运动、离心运动、近心运动的条件． 【问题探究】1．人造地球卫星的轨道圆心在哪儿？为什么？ 2．同步卫星、近地卫星和赤道上随地球自转的物体所做的三种匀速圆周运动有何异同？ 【答案】 1.所有人造地球卫星的轨道圆心都在地心，因为卫星围绕地球做圆周运动，由万有引力提供向心力，而且万有引力指向地心．卫星的轨道圆心在地心，这也是人造地球卫星稳定运行的条件． 2．(1)轨道半径：近地卫星与赤道上物体的轨道半径可认为相同，同步卫星的轨道半径较大，即r同>r近＝r物． (2)运行周期：同步卫星与赤道上物体的运行周期相同．由T＝2π 可知，近地卫星的周期要