第七章 4.宇宙航行-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

4.宇宙航行 【学习目标】 学科知识 学科能力 学科素养 1.宇宙速度 2.人造卫星 1.了解人造地球卫星的最初构想，会推导第一宇宙速度 2.知道同步卫星和其他卫星的区别，会分析人造地球卫星的受力的运动情况并解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题 3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系，理解天体运动中的能量观 4.了解宇宙航行的历程和进展，感受人类对客观世界不断探究的精神和情感。 1.物理观念：形成初步的第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度的概念。 2.科学思维：能对比较简单的宇宙航行现象进行分析和推理，会解决涉及人造地球卫星运动的较简单的问题 3.科学探究：能根据牛顿运动定律和万有引力定律探究卫星绕行速度的大小 知识点一　宇宙速度 在地球表面将一物体以较小的速率水平抛出，物体将落到地上；若物体以更大的初速度水平抛出时，物体将飞得更远；当物体以足够大的水平速度抛出时，物体将环绕地球运动。 (1)速度需要达到多大，物体才不会再落回地球表面？在不同的星球抛出去，使之不再回到星球表面，需要的速度一样吗？ (2)将卫星发射到更高的轨道上，需要的速度越大还是越小？ 提示：(1)物体不再回到地球表面，即物体所受万有引力提供向心力，根据G＝m可得v＝＝；对于不同的星球，使物体不再回到星球表面的速度不相同。 (2)轨道越高，需要的发射速度越大。 1．绕行速度 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G＝m，则卫星在轨道上运行的线速度v＝。 2．第一宇宙速度 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。大小为v＝7.9 km/s。 3．第二宇宙速度 在地面附近发射飞行器，当飞行器的速度等于或大于11.2 km/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16.7 km/s，这个速度叫作第三宇宙速度。 【判断正误】 1．在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s。(　　 ) 2．人造地球卫星的最小绕行速度是7.9 km/s。(　　 ) 3．我国向月球发射的“嫦娥二号”卫星在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s。(　　 ) 4．在地面附近发射火星探测器的速度v满足11.2 km/s<v<16.7 km/s。(　　 ) 5．由v＝知，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易。(　　 ) 答案：1.√　2.×　3.×　4.√　5.× 学生用书↓第76页 1．第一宇宙速度 (1)公式：v1＝ ＝ 推导： ①由G＝m 得v1＝＝ m/s≈7.9×103 m/s。 ②由于物体受到的万有引力近似等于在地球表面的重力，即mg＝m得v1＝＝ m/s≈7.9×103 m/s。 (2)意义：①第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度。 ②第一宇宙速度也是人造卫星做匀速圆周运动的最大环绕速度，对应的运行周期是人造卫星的最小周期Tmin＝2π≈5 075 s≈85 min。 2．发射速度与卫星的轨道关系 (1)当7.9 km/s≤v发<11.2 km/s时，卫星绕地球做椭圆运动。 (2)当11.2 km/s≤v发<16.7 km/s时，卫星绕太阳旋转，成为太阳系一颗“小行星”，或绕其他行星旋转，成为其他行星的一颗卫星。 (3)当v发≥16.7 km/s时，卫星脱离太阳的引力束缚跑到太阳系以外的空间中去。 (2022·湖北黄冈高二期末)2021年5月15日上午，我国首次火星探测任务天问一号探测器成功着陆火星，迈出了中国星际探测征程的重要一步，我国成为第三个成功着陆火星的国家。已知地球半径约为火星半径的2倍，地球密度约为火星密度的1.6倍，则地球第一宇宙速度与火星第一宇宙速度的比值约为(　　 ) A． B． C． D． B　[根据万有引力提供向心力，得G＝m，则第一宇宙速度为v＝，又由M＝ρ×πR3，解得v＝，所以地球第一宇宙速度与火星第一宇宙速度的比值为＝＝，故B正确。] 方法技巧 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、半径的比例关系，可分别列出该天体与地球第一宇宙速度的表达式，用比例法进行计算。　　 针对练1.(2020·北京卷)我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。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(