7.4 宇宙航行-【赢在微点】轻松课堂2023-2024学年新教材高中物理必修 第二册（人教版）

4.宇宙航行 1.知道三个宇宙速度的含义和数值,会计算第一宇宙速度。 2.掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。 3.理解近地卫星、同步卫星的区别。 4.掌握卫星的变轨的原理和过程。 　　 远古时代起人们就有飞向太空,奔向月球的梦想。万有引力定律的发现,不仅解决了天上行星的运行问题,也为人们开辟了“上天”理论之路,使人们有了探索太空的强有力工具,加快了探索太空的步伐。 “神舟十三号”载人飞船在太空运行183天,于2022年4月16日在东风着陆场成功着陆。截至目前,中国共有14名航天员(20人次)进入太空,出色地完成了航天任务,进行了很多有着重大意义的科研工作。 航天员是如何进入太空的?他们怎样安全返回地面呢? 　 知|识|梳|理 一、宇宙速度 1.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。 由G=得v=或由mg=得v=,计算可得v=7.9 km/s。 2.第二宇宙速度。 飞行器脱离地球引力的束缚的最小地面发射速度,大小为11.2 km/s。 3.第三宇宙速度。 飞行器挣脱太阳引力的束缚的最小地面发射速度,大小为16.7 km/s。 二、地球同步卫星 地球同步卫星位于赤道上方高度约36 000 km处,因相对地面静止,也称静止卫星。地球同步卫星与地球以相同的角速度转动,周期与地球自转周期相同。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”) (1)发射人造地球卫星需要足够大的速度。 (√) (2)卫星绕地球运行不需要力的作用。(×) (3)卫星的运行速度随轨道半径的增大而增大。(×) (4)第一宇宙速度也是能使卫星绕地球运行的最小发射速度。 (√) (5)第二宇宙速度是卫星在椭圆轨道上运行时近地点的速度。 (×) 2.2021年5月15日8时20分左右,中国首枚火星探测器“天问一号”成功着陆火星北半球的乌托邦平原,带领“祝融号”火星车展开火星探测之旅!“天问一号”的发射速度(　　) A.等于7.9 km/s B.大于16.7 km/s C.大于7.9 km/s且小于11.2 km/s D.大于11.2 km/s 且小于 16.7 km/s 解析　第一宇宙速度为7.9 km/s,第二宇宙速度为11.2 km/s,第三宇宙速度为16.7 km/s,由题意可知:“天问一号”发射速度大于11.2 km/s且小于16.7 km/s。故D项正确。 答案　D 　 探究一 对宇宙速度的理解 1.第一宇宙速度的推导。 方法一:由G=m,得v1==7.9×103 m/s。 方法二:由mg=m,得v1==7.9×103 m/s。 第一宇宙速度是地球人造卫星的最小发射速度,也是地球人造卫星的最大环绕速度,此时它的运行周期最短,Tmin=2π=5075 s ≈85 min。 2.宇宙速度与运动轨迹的关系。 (1)v发=7.9 km/s时,卫星绕地球表面做匀速圆周运动。 (2)7.9 km/s<v发<11.2 km/s,卫星绕地球运动的轨迹为椭圆。 (3)11.2 km/s≤v发<16.7 km/s,卫星绕太阳做椭圆轨道运动。 (4)v发≥16.7 km/s,卫星将挣脱太阳引力的束缚,飞到太阳系以外的空间。 【例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等于v1,小于v2 B.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7.9 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　根据v=可知,卫星的轨道半径r越大,即距离地面越远,卫星的环绕速度越小,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项正确;实际上,由于人造卫星的轨道半径都大于地球半径,故卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度都小于第一宇宙速度,A项错误;美国发射的“凤凰号”火星探测卫星,仍在太阳系内,所以其发射速度小于第三宇宙速度,B项错误;第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为绕太阳运行的人造小行星的最小发射速度,C项正确。 答案　CD (1)三种宇宙速度均指在地球上的发射速度。 (2)第一宇宙速度是卫星环绕地球做匀速圆周运动的最大速度,也是卫星的最小发射速度。 (3)轨道半径越大的卫星,其运行速度越小,但其地面发射速度越大。 【针对训练1】　一航天员在某星球上立定跳高的最好成绩是地球上的4倍。已知该星球半径为地球的一半,阻力不计,则该星球的第一宇宙速度约为 (　　) A.2.0 km/s B.2.8 km/s C.