第7章 4.宇宙航行(课件PPT)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理必修第二册同步练测（人教版2019）

第七章　 万有引力与 宇宙航行 4.宇宙航行 学习目标 核心素养 1.知道三个宇宙速度的含义，会推导第一宇宙速度。 2.了解人造卫星的有关知识，掌握人造卫星的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。 3.认识同步卫星的特点。 4.了解人类对太空探索的历程及我国卫星发射的情况 1.物理观念：具有与万有引力定律相关的运动与相互作用的观念。 2.科学推理：能将天体的运动抽象成匀速圆周运动模型。 3.关键能力：分析推理、质疑论证能力 4.宇宙航行 [对应学生用书第57页] 一、宇宙速度 1.环绕速度 　　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＝ 　 　⁠。 匀速圆周 万有引力 　 4.宇宙航行 2.第一宇宙速度 （1）定义：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。 （2）大小：v＝7.9 km/s。 3.第二宇宙速度 　　在地面附近发射飞行器，如果速度大于 　7.9 km/s　⁠，又小于11.2 km/s，它绕地球运行的轨迹就不是圆，而是椭圆。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。  匀速圆周 7.9 km/s 地球 11.2 km/s 4.宇宙航行 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。 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。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。 东方红一号 4.宇宙航行 2.地球同步卫星 （1）概念：相对于地面静止且与地球自转具有相同 　周期　⁠的卫星，叫作地球同步卫星。 （2）特点：六个“一定” ①转动方向一定：和地球自转方向 　一致　⁠； ②周期一定：和地球自转周期相同，即T＝24 h； 周期 一致 4.宇宙航行 ③角速度一定：等于地球自转的角速度； ④轨道平面一定：所有的同步卫星都在赤道的 　正上方　⁠，其轨道平面必须与赤道平面重合； ⑤高度一定：离地面高度固定不变（约3.6×104 km）； ⑥速率一定：线速度大小一定（约3.1×103 m/s）。 正上方 4.宇宙航行 三、载人航天与太空探索 1.1961年4月12日，苏联航天员加加林进入了东方一号载人飞船。 2.1969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，拉开了人类登月这一伟大历史事件的帷幕。 3.2003年10月15日9时，我国 　神舟五号　⁠宇宙飞船把中国第一位航天员杨利伟送入太空。 神舟五号 4.宇宙航行 4．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。 5．2021年4月29日，具备长期自主飞行能力的天和核心舱成功发射。 6．2022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。 4.宇宙航行 1.判断下列说法的正误（正确的画“√”，错误的画“×”）。 （1）在地面上发射人造卫星的最小速度是7.9 km/s。 （　√　） （2）在地面上发射火星探测器的速度应为11.2 km/s＜v＜16.7 km/s。 （　√　） （3）要发射离开太阳系进入银河系的探测器，所需发射速度至少为16.7 km/s。 （　√　） （4）要发射一颗月球卫星，在地面的发射速度应大于16.7 km/s。 （　×　） √ √ √ × 4.宇宙航行 2.（多选）可以发射一颗这样的人造卫星，使其圆轨道 （　　） A.与地球表面上某一纬线（非赤道）是共面的同心圆 B.与地球表面上某一经线所决定的圆是共面的同心圆 C.与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地面是静止的 D.与地球表面上的赤道线是共面的同心圆，但卫星相对地面是运动的 4.宇宙航行 解析　人造卫星飞行时，由于地球对卫星的引力作为它做圆周运动的向心力，而这个力的方向必定指向圆心，即指向地心，故所有人造的卫星其轨道圆的圆心一定要和地球的中心重合，不能是地轴上（除地心外）的某一点，故选项A是错误的；由于地球同时绕着地轴在自转，所以卫星的轨道平面也不可能和经线所决定的平面共面，所以选项B也是错误的；相对地球表面静止的就是同步卫星，它必须在赤道线平面内，且距地面有确定的高度，而低于或高于该高度的人造卫星也是可以在赤道平面内运动的，不过由于它们的周期和地球自转的周期不相同，就会相对于地面运动。故正确选项为C、D。 答案　CD 4.宇宙航行 [对应学生用书第58页] 要点一　对第一宇宙速度的理解 　　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。 4.宇宙航行 （1）当抛出速度较小时，物体做什么运动？当物体刚好不落回地面时，物体做什么运动？当抛出速度非常大时，物体还能落回地球吗？ 据此思考并讨论以下问题： （2）若地球的质量为M，物体到地心的距离为r，引力常量为G，试推导物体刚好不落回地面时的运行速度。若物体紧贴地面飞行，其速度大小为多少？（已知地球半径R＝6 400 km，地球质量M＝5.98×1024 kg） 4.宇宙航行 提示　（1）当抛出速度较小时，物体做平抛运动。当物体刚好不落回地面时，物体做匀速圆周运动。当抛出速度非常大时，物体不能落回地球。 （2）物体不落回地面，应围绕地球做匀速圆周运动，向心力由万有引力提供，G＝m，解得v＝ 。当其紧贴地面飞行时，r＝R，则有v＝＝≈7.9 km/s。 4.宇宙航行 对第一宇宙速度的理解和推导 1.认识第一宇宙速度：第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，等于人造卫星近地环绕地球做匀速圆周运动的运行速度，即近地卫星的环绕速度。 4.宇宙航行 2.推导：对于近地人造卫星，轨道半径r近似等于地球半径R＝6 400 km，卫星在轨道处所受的万有引力近似等于卫星在地面上所受的重力，g取9.8 m/s2，则 方法一 4.宇宙航行 方法二　 4.宇宙航行 3.其他星球的第一宇宙速度 （1）任何一颗星球都有自己的第一宇宙速度，v＝或v＝，式中G为引力常量，M为中心星球的质量，g为中心星球表面的重力加速度，R为中心星球的半径。 （2）第一宇宙速度之值由中心星球决定。 特别提醒　第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，又是卫星在圆轨道上运行的最大速度。 4.宇宙航行 [例1]　我国发射了一颗绕月运行的探月卫星嫦娥三号。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，地球上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 4.宇宙航行 [解析]　星球的第一宇宙速度即为围绕星球做圆周运动的轨道半径为该星球半径时的环绕速度，由万有引力提供向心力即可得出这一最大环绕速度。卫星所需的向心力由万有引力提供G＝m，得v＝，又由＝、＝，故月球和地球上第一宇宙速度之比＝，故v月＝7.9× km/s≈1.8 km/s，因此B项正确。 [答案]　B 4.宇宙航行 1.某人在一星球上以速率v竖直上抛一物体，经时间t后，物体以速率v落回手中，已知该星球的半径为R，求该星球上的第一宇宙速度。 4.宇宙航行 解析　根据匀变速运动的规律可得，该星球表面的重力加速度为g＝，该星球的第一宇宙速度，即为卫星在其表面附近绕它做匀速圆周运动的线速度，该星球对卫星的引力（重力）提供做圆周运动的向心力，则mg＝m，该星球表面的第一宇宙速度为v1＝＝ 。 答案　 4.宇宙航行 要点二　人造地球卫星 　　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？ 4.宇宙航行 提示　b、c、d轨道都可以。因为卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，而万有引力是始终指向地心的，故卫星做匀速圆周运动的向心力必须指向地心，因此b、c轨道都可以，a轨道不可以，卫星也可以在椭圆轨道运行，故d轨道也可以。 4.宇宙航行 1.人造地球卫星的轨道 （1）椭圆轨道：地心位于椭圆的一个焦点上。 （2）圆轨道：卫星绕地球做匀速圆周运动，卫星所需的向心力由万有引力提供，由于万有引力指向地心，所以卫星的轨道圆心必然是地心，即卫星在以地心为圆心的轨道平面内绕地球做匀速圆周运动。 4.宇宙航行 （3）卫星的三种轨道：地球卫星的轨道平面可以与赤道平面成任意角度，当轨道平面与赤道平面重合时，称为赤道轨道；当轨道平面与赤道平面垂直时，即通过极点，称为极地轨道，如图所示。 4.宇宙航行 项目 推导式 关系式 结论 v与r的关系 G＝m v＝ r越大，v越小 ω与r的关系 G＝mω2r ω＝ r越大，ω越小 2.人造地球卫星的线速度v、角速度ω、周期T、加速度a与轨道半径r的关系如下： 4.宇宙航行 项目 推导式 关系式 结论 T与r的关系 G＝mr T＝2π r越大，T越大 a与r的关系 G＝ma a＝ r越大，a越小 　　由上表可以看出：卫星离地面高度越高，其线速度越小，角速度越小，周期越大，向心加速度越小。 4.宇宙航行 [例2]　我国成功发射的第45颗北斗导航卫星与此前发射的倾斜地球同步轨道卫星（代号为P）、18颗中圆地球轨道卫星（代号为Q）和1颗地球同步轨道卫星（代号为S）进行组网，为亚太地区提供更优质的服务。若这三种不同类型卫星的轨道都是圆轨道，中圆地球轨道卫星的轨道半径是同步卫星的轨道半径的，下列说法正确的是（　　） 4.宇宙航行 A.P和S绕地球运动的向心加速度大小不相等 B.Q和S绕地球运动的线速度大小之比为∶2 C.Q和S绕地球运动的周期之比为1∶ D.P和Q绕地球运动的向心力大小一定相等 4.宇宙航行 [解析]　由G＝ma可知，P和S绕地球运动的向心加速度大小相等，故A错误；由G＝m，可得v＝，又rQ＝rS，则Q和S绕地球运动的线速度大小之比为vQ∶vS＝∶2，故B正确；由G＝mr，可得T＝2π ，Q和S这两种不同类型轨道卫星绕地球运动的周期之比为TQ∶TS＝ ∶1＝2∶9，故C错误；由于P和Q的质量不一定相等，轨道半径不相等，所以P和Q绕地球运动的向心力大小不一定相等，故D错误。 [答案]　B 4.宇宙航行 2.a、b、c、d是在地球大气层外的圆形轨道上运行的四颗人造卫星。其中a、c的轨道相交于P，b、d在同一个圆轨道上，b、c轨道在同一平面上。某时刻四颗卫星的运行方向及位置如图所示，下列说法正确的是 （　　） A.a、c的加速度大小相等，且大于b的加速度 B.b、c的角速度大小相等，且小于a的角速度 C.a、c的线速度大小相等，且小于d的线速度 D.a、c存在在P点相撞的危险 4.宇宙航行 解析　由G＝m＝mω2r＝mr＝ma可知，选项B、C错误，A正确；因a、c轨道半径相同，周期相同，只要在图示时刻不相撞，以后就不可能相撞了，选项D错误。 答案　A 4.宇宙航行 要点三　对地球同步卫星的理解 　　地球上空分布着许多的同步卫星，在地面上的人看来，始终静止不动。请思考： （1）这些同步卫星是否就真的静止不动呢？ （2）这些同步卫星有什么共同的特点呢？ 4.宇宙航行 提示　（1）这些同步卫星都在绕地心做匀速圆周运动，地球与卫星的万有引力提供向心力。 （2）卫星相对于地球静止，因此卫星绕地球运动的周期一定等于地球自转的周期。 4.宇宙航行 1.地球同步卫星 　　位于地球赤道上空，相对于地面静止不动，它的角速度跟地球的自转角速度相同，广泛应用于通信，又叫作同步通信卫星。 4.宇宙航行 2.地球同步通信卫星的特点 特点 内容 周期一定 与地球自转周期相同，即T＝24 h＝86 400 s 角速度一定 与地球自转的角速度相同 高度一定 卫星离地面高度h＝r－R≈6R（为恒量） 向心加速度大小一定 an≈0.23 m/s2 轨道平面一定 轨道平面与赤道平面共面 4.宇宙航行 [例3]　我国成功发射的第45颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星（同步卫星）。该卫星（　　） A.入轨后可以位于北京正上方 B.入轨后的速度大于第一宇宙速度 C.发射速度大于第二宇宙速度 D.入轨后的运行周期为24 h 4.宇宙航行 [解析]　地球同步卫星轨道在赤道上方，所以A错误；根据＝，得v＝ ，所以入轨后的速度小于第一宇宙速度，B错误；第二宇宙速度是脱离速度，所以发射速度小于第二宇宙速度，C错误；地球同步卫星的周期等于地球的自转周期24 h，D正确。 [答案]　D 4.宇宙航行 3.（多选）下面关于同步通信卫星的说法中，正确的是 （　　） A.同步通信卫星的高度和速率都是确定的 B.同步通信卫星的高度、速度、周期，有的能确定，有的不能确定，可以调节 C.我国发射的第一颗人造地球卫星的周期是114 min，比同步通信卫星的周期短，所以第一颗人造卫星离地面的高度比同步通信卫星的低 D.同步通信卫星的速率比我国发射的第一颗人造地球卫星的速率小 4.宇宙航行 解析　同步通信卫星的周期与角速度跟地球自转的周期与角速度分别相同，由ω＝ 和h＝r－R可知，卫星高度确定，由v＝ωr知速率也确定，选项A正确，B错误；由T＝2π 知，第一颗人造地球卫星的高度比同步通信卫星的低，选项C正确；由v＝ 知，同步通信卫星比第一颗人造地球卫星的速率小，故选项D正确。 答案　ACD 4.宇宙航行 [对应学生用书第61页] 1.（对宇宙速度的理解）（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 4.宇宙航行 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，选项A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，选项B错误；第二宇宙速度是使物体挣脱地球束缚而成为太阳的一颗人造小行星的最小发射速度，选项C正确。 答案　CD 4.宇宙航行 2.（人造卫星的运行分析）如图所示，我国暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空进入高为5.0×102 km的预定轨道。“悟空”卫星和地球同步卫星的运动均可视为匀速圆周运动。已知地球半径R＝6.4×103 km。下列说法正确的是（　　） A.“悟空”卫星的线速度比同步卫星的线速度小 B.“悟空”卫星的角速度比同步卫星的角速度小 C.“悟空”卫星的运行周期比同步卫星的运行周期小 D.“悟空”卫星的向心加速度比同步卫星的向心加速度小 4.宇宙航行 解析　地球同步卫星距地表36 000 km，由v＝可知，“悟空”卫星的线速度更大，所以A错误；由ω＝可知，“悟空”卫星的角速度更大，即周期更小，由an＝可知，“悟空”卫星的向心加速度更大，因此B、D错误，C正确。 答案　C 4.宇宙航行 3.（同步卫星的特点）中国北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国GPS（全球定位系统）和俄罗斯GLONASS（全球卫星导航系统）之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，2020年完成总计35颗卫星发射，其中空间端包括5颗地球同步卫星和30颗非地球同步卫星，下列说法正确的是（　　） A.这5颗地球同步卫星的运行速度大于第一宇宙速度 B.这5颗地球同步卫星的运行周期都与地球自转周期相等 C.这5颗地球同步卫星运行的加速度大小不一定相等 D.为避免相撞，不同国家发射的地球同步卫星必须运行在不同的轨道上 4.宇宙航行 解析　根据万有引力提供向心力，列出等式＝m，得v＝ ，由r＝R＋h，可知这5颗地球同步卫星的运行速度 小于第一宇宙速度 ，选项A错误；由于这5颗卫星是地球的同步卫星，则其运行周期都与地球自转周期相等，选项B正确；地球同步卫星位于赤道上方，离地面的高度相同，在相同的轨道上，故D错误；地球同步卫星的加速度a＝，所以这5颗地球同步卫星的加速度大小一定相等，故C错误。 答案　B 4.宇宙航行 $$