第7章 第4节 宇宙航行（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（人教版2019，江苏北京专用）

第4节　宇宙航行(赋能课—精细培优科学思维) 课标要求 层级达标 1.会计算人造地球卫星的环绕速度。 2.知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。 学考层级 1.知道三个宇宙速度的含义。 2.知道同步卫星和其他卫星的区别。 3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系。 选考层级 1.会推导第一宇宙速度。 2.会分析人造地球卫星的受力和运动情况，并能解决涉及人造地球卫星运动的问题。 一、宇宙速度 1．环绕速度 一般情况下物体绕地球的运动可视作匀速圆周运动，设地球的质量为m地，物体的质量为m，速度为v，它到地心的距离为r。万有引力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力，所以G＝m，则物体在轨道上运行的线速度v＝ 。 2．宇宙速度 数值 意义 第一宇宙速度 7.9 km/s 物体在地球表面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 使飞行器挣脱地球引力束缚的最小地面发射速度 第三宇宙速度 16.7 km/s 使飞行器挣脱太阳引力束缚的最小地面发射速度 1．宇宙速度均指发射速度，环绕速度一定不大于其发射速度。 2．第一宇宙速度的其他三种叫法：最小发射速度、最大环绕速度、近地绕行速度。 二、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。 2．1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功。 3．地球同步卫星 (1)位置：位于地面上方高度约36_000 km处。 (2)周期：与地球自转周期相同。 4．静止卫星：轨道平面与赤道平面成0度角，运动方向与地球自转方向相同的地球同步卫星(也称地球静止轨道卫星)。 [微情境·大道理] 1.牛顿设想，如图所示把物体从高山上水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远；当抛出速度足够大时，物体不再落回地面，成为人造地球卫星。 请对以下结论作出判断： (1)若物体的初速度v＝7.9 km/s时，物体将绕地球做匀速圆周运动。(√) (2)若物体的初速度v＞11.2 km/s，物体将绕地球做椭圆轨道运动。(×) (3)若物体的初速度满足7.9 km/s＜v＜11.2 km/s，物体将绕地球做椭圆轨道运动。(√) (4)发射人造地球卫星的最大发射速度为7.9 km/s。(×) 2.我国在西昌卫星发射中心发射的第45颗北斗导航卫星属地球静止轨道卫星。 请对以下结论作出判断： (1)该卫星可以定点在北京市的正上方。(×) (2)该卫星运行的速度小于第一宇宙速度。(√) (3)该卫星只能定点在赤道平面内。(√) (4)该卫星的运行周期为24 h。(√) (5)该卫星与同轨道上的其他卫星具有相同的质量。(×) 强化点(一)　宇宙速度 [要点释解明] 1．第一宇宙速度 (1)两个表达式： 思路①：万有引力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力，由G＝m得v＝。 思路②：可近似认为重力提供物体做匀速圆周运动所需的向心力，由mg＝m得v＝。 (2)物理意义： ①第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度。 ②第一宇宙速度也是人造地球卫星做匀速圆周运动的最大环绕速度。 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11.2 km/s。当发射速度7.9 km/s<v0<11.2 km/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16.7 km/s。 [典例]　“嫦娥一号”是我国发射的第一颗绕月运行的探月卫星。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，月球的半径约为地球半径的，地球的第一宇宙速度约为7.9 km/s，则该探月卫星绕月运行的最大速率约为(　 ) A．0.4 km/s　　　　　 B．1.8 km/s C．11 km/s D．36 km/s [解析]　由G＝m得，v＝，又＝，＝，故月球和地球的第一宇宙速度之比＝ ＝ ＝，故v月＝7.9× km/s≈1.8 km/s，即该探月卫星绕月运行的最大速率约为1.8 km/s，因此B项正确。 [答案]　B [题点全练清] 1．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＝7.9 km/s，第二宇宙速度v2＝11.2 km/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v2 B．我国发射的火星探测器，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太阳引力束缚的最小发射速度 D．第一宇宙速度7.9 km/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：选D　根据v＝ 可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面