第七章 4 宇宙航行-【金版新学案】2024-2025学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

4．宇宙航行 　　　　 第七章　万有引力与宇宙航行 1.知道三个宇宙速度的含义、大小，会计算第一宇宙速度。　 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和运动情况。　 3.了解发射速度与环绕速度的区别和联系。　 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。 素养目标 知识点一　宇宙速度 1 知识点二　人造地球卫星　载人航天与太空探索 2 知识点三　近地卫星、静止卫星与赤道上物体的比较 3 课时测评 5 随堂达标演练 4 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 知识点一　宇宙速度 返回 情境导学　牛顿曾提出过一个著名的理想实验：如图所示，从高山上水平抛出一个物体，当抛出的速度足够大时，物体将环绕地球运动，成为人造地球卫星。据此思考并讨论以下问题： 提示：当抛出速度较小时，物体做平抛运动。当抛出速度非常大时，物体不能落回地球，物体做匀速圆周运动。  自主学习 (2)已知地球的质量为M，地球半径为R，引力常量为G，若物体紧贴地面飞行而不落回地面，其速度大小为多少？ (3)已知地球半径R＝6 400 km，地球表面的重力加速度g＝10 m/s2，则该物体环绕地球表面做圆周运动的速度多大？ 匀速圆周 万有引力 匀速圆周 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______。我们把_______________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。 地球 11.2 km/s 问题探究　(1)不同天体的第一宇宙速度相同吗？第一宇宙速度的大小由哪些因素决定？ (2)第一宇宙速度是绕地球运行的最大速度吗？ 提示：不是，第一宇宙速度仅是绕地球做匀速圆周运动的最大速度。 合作探究 例1 √ 已知月球质量与地球质量之比约为1∶80，月球半径与地球半径之比约为1∶4，则月球上的第一宇宙速度与地球上的第一宇宙速度之比为 探究归纳 探究归纳 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，卫星克服地球的引力，离开地球绕太阳旋转，成为太阳系中的一颗“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。 探究归纳 √ 针对练1.(2020·北京高考)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 A．火星探测器的发射速度应大于地球的第二宇宙速度 B．火星探测器的发射速度应介于地球的第一和第二宇宙速度之间 C．火星的第一宇宙速度大于地球的第一宇宙速度 D．火星表面的重力加速度大于地球表面的重力加速度 √ 返回 知识点二　人造地球卫星　载人航天与太空探索 返回 情境导学　(1)卫星绕地球运行的示意图如图所示，圆a、b、c的圆心均在地球的自转轴线上，b、c的圆心与地心重合，d为椭圆轨道，且地心为椭圆的一个焦点。四条轨道中哪些可以作为卫星轨道？为什么？ 自主学习 提示：b、c、d轨道都可以。因为卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万有引力提供向心力，因此卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，因此b、c轨道都可以，a轨道不可以。卫星也可在椭圆轨道运行，故d轨道也可以。 (2)同一轨道上同向绕行的两卫星是否有可能相撞？ 提示：不可能。同一轨道上的两卫星，线速度大小相等，相对静止，故不可能相撞。 教材梳理(阅读教材P60－P62，完成下列填空) 1．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“____________”发射成功。 (3)为我国航天事业作出特殊贡献的科学家___________被誉为“中国航天之父”。 (4)地球同步卫星：周期与地球______周期相同，其中一种的轨道平面与赤道平面成___度角，运动方向与地球______方向相同，相对地面______，也称静止卫星。 东方红一号 钱学森 自转 0 自转 静止 2．载人航天与太空探索 1961年4月12日，苏联航天员________进入了东方一号载人飞船。 1969年7月16日，运载阿波罗11号飞船的土星5号火箭在美国卡纳维拉尔角点火升空，拉开人类登月这一伟大历史事件的帷幕。 2003年10月15日9时，我国__________宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。 自2011年11月起，神舟飞船先后与天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室成功完成交会对接试验。 2021年4月29日，具备长期自主飞行能力的______核心舱成功发射。 2022年12月2日，中国航天员乘组完成首次在轨交接，中国空间站正式开启长期有人驻留模式。 加加林 神舟五号 天和 例2 (多选)“静止”在赤道上空的地球同步气象卫星把气象数据发回地面，为天气预报提供准确、全面和及时的气象资料。设地球同步卫星的轨道半径是地球半径的n倍，下列说法中正确的是 A．同步卫星距地面的高度是地球半径的(n－1)倍 合作探究 √ √ 1．人造地球卫星的三种轨道 卫星绕地球做匀速圆周运动时，由地球对它的万 有引力充当向心力。因此卫星绕地球做匀速圆周 运动的圆心必与地心重合，其轨道可分为三类(如 图所示)： (1)赤道轨道：卫星的轨道与赤道共面，卫星始终处于赤道正上方。 (2)极地轨道：卫星的轨道与赤道平面垂直，卫星经过两极上空。 (3)任意轨道：卫星的轨道与赤道平面成某一角度。 探究归纳 2．地球静止卫星的六个“一定” 探究归纳 针对练1.(多选)(2023·广东省佛山市期中)如图是北斗导航系统中部分卫星的轨道示意图。已知A、B、C三颗卫星均做匀速圆周运动，A是地球同步卫星。A、B两颗卫星的轨道半径相等，其大小是C卫星轨道半径的n倍。已知地球自转周期为T，地球质量为M，万有引力常量为G，下列说法中正确的是 A．卫星B也是地球的同步卫星 B．根据题述条件可以计算出同步卫星离地面的高度 C．根据题述条件可以计算出卫星C绕地球运动的周期 √ √ 针对练2.(2022·湖北高考)2022年5月，我国成功完成了天舟四号货运飞船与空间站的对接，形成的组合体在地球引力作用下绕地球做圆周运动，周期约90分钟。下列说法正确的是 A．组合体中的货物处于超重状态 B．组合体的速度大小略大于第一宇宙速度 C．组合体的角速度大小比地球同步卫星的大 D．组合体的加速度大小比地球同步卫星的小 √ 返回 知识点三　近地卫星、静止卫星与赤道上物体的比较 返回 1．三个物体运动规律的比较 项目 近地卫星 (r1、ω1、v1、a1) 静止卫星 (r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的 物体(r3、ω3、v3、a3) 向心力 万有引力 万有引力 万有引力减去支持力 轨道半径 r2>r3＝r1 角速度 静止卫星的角速度与地球自转的角速度相同，故ω2＝ω3 ω1>ω2＝ω3 项目 近地卫星 (r1、ω1、v1、a1) 静止卫星 (r2、ω2、v2、a2) 赤道上随地球自转的 物体(r3、ω3、v3、a3) 线速度 由v＝ωr得v2>v3 v1>v2>v3 向心加速度 由an＝ω2r得a2>a3 a1>a2>a3 2.处理近地卫星、静止卫星和赤道上物体的问题的技巧 (1)近地卫星与静止卫星的共同点是卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。 (2)静止卫星与赤道上随地球自转的物体的共同点是具有相同的角速度。 (3)当比较近地卫星和赤道上物体的有关参量时，需借助静止卫星。 (多选)如图所示，赤道上随地球自转的物体A、赤道上空的近地卫星B、静止卫星C，它们的运动都可视为匀速圆周运动，比较三个物体的运动情况，以下判断正确的是  A．三者周期的大小关系为TA<TB<TC B．三者向心加速度的大小关系为aA>aB>aC C．三者角速度的大小关系为ωA＝ωC<ωB D．三者线速度的大小关系为vA<vC<vB 例3 √ √ 针对练1.(多选)地球静止卫星离地心的距离为r，运行速率为v1，加速度为a1；地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a2，地球的半径为R，第一宇宙速度为v2，则下列比例关系正确的是 √ √ 针对练2.(多选)如图所示，甲是地球赤道上的一个物体，乙是“神舟十七号”宇宙飞船(绕地运行周期为90 min)，丙是地球的同步卫星，它们运行的轨道示意图如图所示，它们都绕地心做匀速圆周运动。下列说法正确的是   A．它们运动的周期大小关系是T甲＝T丙>T乙 B．它们运动的向心加速度大小关系是a乙>a丙>a甲 C．卫星乙的运行速度大于地球的第一宇宙速度 √ √ √ 返回 随堂达标演练 返回 1．关于三个宇宙速度，下列说法正确的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．第一宇宙速度大小为7.9 km/h B．绕地球运行的卫星，其环绕速度必定大于第一宇宙速度 C．第二宇宙速度为11.2 km/s，是绕地飞行器最大的环绕速度 D．在地面附近发射的飞行器速度等于或大于第三宇宙速度时，飞行器就能逃出太阳系了 √ 2.(多选)如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上O点以不同的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远。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，则下列说法正确的是 A．以v<7.9 km/s的速度抛出的物体可能落在A点 B．以v<7.9 km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动 C．以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动 D．以11.2 km/s<v<16.7 km/s的速度抛出的物体可能沿C轨道运动 √ √ 物体抛出速度v<7.9 km/s时必落回地面，物体抛出速度v＝7.9 km/s时，物体刚好能不落回地面，绕地球做圆周运动，故A正确，B错误；当物体以7.9 km/s<v<11.2 km/s的速度抛出时，物体在抛出点做离心运动，但物体不能脱离地球引力束缚，故可能沿C轨道运动，故C正确；当物体抛出速度v>11.2 km/s时，物体会脱离地球引力束缚，不可能沿C轨道运动，故D错误。 √ 4.(多选)(2023·江苏省扬州市期中)2023年2月23日我国首颗超百Gbps容量高通量地球静止轨道通信卫星成功发射，其轨道如图中b所示，图中a为太阳探测卫星“夸父一号”，轨道高度小于地球同步卫星轨道高度，c为赤道上的物体。则下列说法正确的是  A．a、b的线速度大小关系为va<vb B．a、b的角速度大小关系为ωa<ωb C．b、c的周期关系为Tb＝Tc D．b、c的向心加速度大小关系为ab<ac √ 返回 课 时 测 评 返回 1．(多选)下列关于三种宇宙速度的说法正确的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．人造地球卫星绕地球在圆轨道上运行时的速度7.9 km/s≤v<11.2 km/s B．发射的火星探测卫星，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 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 v＝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，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错误，D正确；发射火星探测卫星，仍在太阳系内，其发射速度小于第三宇宙速度，B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一颗人造小行星的最小发射速度，C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3．下列说法正确的是 A．中国发射的地球静止卫星可以处于南京的正上方 B．地球静止卫星的运行速度大于第一宇宙速度 C．第一宇宙速度是人造地球卫星运行的最大环绕速度，也是发射卫星的最小发射速度 D．随着技术的发展，可以发射一颗运行周期为60 min的人造地球卫星 √ 地球静止卫星只能定点在赤道的上空，不可能处于南京的正上方，A错误；第一宇宙速度是卫星绕地球运行的最大环绕速度，也是发射卫星的最小发射速度，地球静止卫星的运行速度小于第一宇宙速度，B错误，C正确；围绕地球表面以第一宇宙速度运行的卫星具有最小的运行周期，此周期值大约为 84 min，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 4．相对地面静止的人造卫星叫作地球的静止卫星，其周期为1天，月球也是地球的卫星，公转周期约为27天，静止卫星与月球相比，以下说法正确的是 A．静止卫星绕地球运动的向心加速度较小 B．静止卫星绕地球运动的角速度较小 C．静止卫星与月球的轨道半径之比为1∶9 D．静止卫星与月球绕地球运动的线速度之比为1∶3 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5．(2023·浙江台州市期中)我国目前在轨运行的卫星已经超过600颗，按不同的用途有：通讯卫星(中星系列)、气象卫星(风云系列)、导航卫星(北斗系列)……按离地面的距离分低轨道、中轨道、高轨道等。其中近地轨道卫星和静止轨道卫星是最常发射的卫星。已知地球半径为R，静止轨道卫星离地高度为6R，则下列判断正确的是 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 6.(多选)(2023·广东东莞实验中学期中)如图所示，a为地球赤道上的物体，b为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星，c为地球同步卫星。则下列说法正确的是  A．a、b角速度的大小关系是ωa<ωb B．a、c向心加速度的大小关系是aa<ac C．b、c线速度的大小关系是vb<vc D．a、b周期的大小关系是Ta<Tb √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 7．已知地球赤道上的物体随地球自转的线速度大小为v1、向心加速度大小为a1，近地卫星的线速度大小为v2、向心加速度大小为a2，地球同步卫星的线速度大小为v3、向心加速度大小为a3。若近地卫星距地面的高度不计，同步卫星距地面的高度约为地球半径的6倍，则下列结论正确的是 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 8．(多选)2023年10月26日17时46分，神舟十七号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接。空间站轨道高度约为400 km，倾角约为42°，总重量约为100 t，地球半径约为6 400 km，已知地球表面重力加速度g取10 m/s2，忽略地球自转影响。下列说法正确的有 A．空间站实质上就是一颗同步卫星 B．航天员进驻空间站时处于完全失重状态 C．空间站环绕地球运行的速度大于7.9 km/s D．空间站的向心加速度大小约为8.9 m/s2 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 9.(多选)(2023·天津市和平区期末)如图所示，甲、乙两颗卫星以相同的轨道半径分别绕半径相同、质量为M和2M的A、B两行星做匀速圆周运动，忽略行星的自转，下列说法正确的是 √ √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 10.如图所示，设行星绕太阳的运动是匀速圆周运动，金星自身的半径是火星的n倍，质量为火星的k倍，不考虑行星自转的影响，则 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 12 12．(16分)(2023·四川宜宾市期中)随着我国“嫦娥工程”启动，我国航天的下一目标是登上月球，古人幻想的“嫦娥奔月”将变成现实。假若宇航员登陆月球后，用弹簧秤称得质量为m的砝码重量为F，乘宇宙飞船在靠近月球表面的圆形轨道空间环绕月球飞行，测得其环绕周期为T，引力常量为G，根据上述数据，求： (1)月球表面的重力加速度大小； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)月球的半径； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (3)月球的第一宇宙速度大小。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 谢 谢 观 看 ！ 第七章 　万有引力与宇宙航行 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 针对练2.为使物体脱离星球的引力束缚，不再绕星球运行，从星球表面发射时所需的最小速度称为第二宇宙速度，星球的第二宇宙速度v2与第一宇宙速度v1的关系为v2＝v1。已知某星球的半径为R，其表面的重力加速度大小为地球表面重力加速度g的，不计其他星球的影响，则该星球的第二宇宙速度为 A. B. C. D. 地球同步卫星在赤道正上方，卫星B的轨道不在赤道的正上方，故B不是地球同步卫星，A错误；对同步卫星，由万有引力提供向心力得G＝m(R＋h)，由于不知道地球半径，所以不可以计算出同步卫星离地面的高度，B错误； 由G＝mω2r得 ω＝ ，故ω1>ω2 由G＝m得 v＝ ，故v1>v2 由G＝man得 an＝，故a1>a2 A.＝ B.＝ C.＝ D.＝ A.＝ B.＝ C.＝ D.＝ $$