第三章 第四节　宇宙速度与航天-【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（粤教版）

第四节　宇宙速度与航天 【核心素养目标】 物理观念 知道三个宇宙速度的含义；知道同步卫星和其他卫星的区别；了解发射速度与环绕速度的区别和联系。 科学思维 会推导第一宇宙速度；会分析人造卫星的受力情况和运动情况，能解决涉及人造地球卫星运动的问题。 科学态度与责任 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。 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；若将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，物体环绕地球做匀速圆周运动，根据G＝m＝mg可得v＝＝；对于不同的星球，使物体不再回到星球表面需要的速度不相同。 (2)轨道越高，需要的发射速度越大。 学生用书↓第68页 1．第一宇宙速度 航天器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，也叫环绕速度。大小为v＝7.9 km/s。 2．第二宇宙速度 在地面附近发射航天器，当航天器的速度等于或大于11.2 km/s时，它就会挣脱地球的引力，永远离开地球。我们把11.2_km/s叫作第二宇宙速度，又叫逃逸速度。 3．第三宇宙速度 在地面附近发射航天器，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”宇宙飞船在地面附近的发射速度要大于11.2 km/s。(　　) 答案：1.√　2.×　3.× 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≈5 063 s≈84.4 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。 学生用书↓第69页 针对练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＝7.9 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或等于v1，小于v2 B．我国发射的嫦娥五号探测器，其发射速度大于第二宇宙速度 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行星的最小发射速度 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 CD　[根据v＝可知，卫星的轨道半径r越大，即距离地面越远，卫星的绕行速度越小，v1＝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，D正确，A错误；我国发射的嫦娥五号探测器，仍在地球引力范围内，所以其发射速度小于第二宇宙速度，B错误；第二宇宙速度是在地面附近使物体挣