宇宙航行同步學(xué)案

第六章萬(wàn)有引力和航天（人教版）§宇宙航行（同步學(xué)案）一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解人造地球衛(wèi)星的有關(guān)知識(shí)和航天發(fā)展史。2．知道三個(gè)宇宙速度的含義和數(shù)值，會(huì)推導(dǎo)第一宇宙速度。3．理解衛(wèi)星的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。二、重點(diǎn)難點(diǎn)1.重點(diǎn)：第一宇宙速度的推導(dǎo)。衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系。2.難點(diǎn)：衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度的關(guān)系。三、學(xué)法指導(dǎo)隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用也越來越廣泛.從高考命題的指導(dǎo)思想來看，要求高考試題具有時(shí)代氣息，反映現(xiàn)代科技的發(fā)展和動(dòng)向，因此有關(guān)衛(wèi)星的問題將繼續(xù)是高考的熱點(diǎn)問題。解決衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)問題，其依據(jù)都是萬(wàn)有引力提供向心力，列出相應(yīng)的方程，就可得出向心加速度、線速度、角速度、周期跟軌道半徑的關(guān)系.學(xué)生已學(xué)過平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律等基本理論，具備了解決問題的基本工具。通過例題和練習(xí)，掌握這一基本方法。在學(xué)習(xí)牛頓對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的思考過程的同時(shí)，培養(yǎng)科學(xué)探索能力；培養(yǎng)在處理實(shí)際問題時(shí)，構(gòu)建物理模型的能力。通過對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的線速度、角速度、周期與軌道半徑的關(guān)系的討論，培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力。首先把本節(jié)課的內(nèi)容認(rèn)真的看一遍，最后完成本學(xué)案。四、自主學(xué)習(xí)1．設(shè)天體A繞天體B做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則天體A的線速度、角速度、周期及加速度的大小分別由哪些量決定？ABABCD3．關(guān)于發(fā)射衛(wèi)星的問題，牛頓在思考萬(wàn)有引力定律時(shí)就曾想過，從高山上水平拋出物體，速度一次比一次大，落地點(diǎn)也就一次比一次遠(yuǎn)。如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星。如圖。請(qǐng)你替牛頓算一算，需要多大的速度物體才能不落回地球，而是像衛(wèi)星一樣繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？4．為什么拋出速度小于7.9km/s時(shí)物體會(huì)落到地面上，而不會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢？5．如果拋出速度大于7.9km/s呢？6．第一宇宙速度，第二宇宙速度（逃逸速度），第三宇宙速度。當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，物體將；當(dāng)拋出速度v滿足11.2km/s≤v<16.7km/s時(shí)，物體將；當(dāng)拋出速度v滿足16.7km/s≤v時(shí)，物體將。7．大家可記得在別的什么地方我們也接觸到了7.9km/s這個(gè)速度??？請(qǐng)同學(xué)們好好回憶一下。8．通過剛才的計(jì)算我們知道7.9km/s的速度是衛(wèi)星在地球表面運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，即近地衛(wèi)星的速度。實(shí)際應(yīng)用中的近地衛(wèi)星在100～200km的高度飛行，與地球半徑6400km相比，完全可以說是在“地面附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛(wèi)星到地心的距離r即軌道半徑。9．比近地軌道外層軌道上的衛(wèi)星的線速度與7.9km/s相比是大還是小呢？10．如果要將衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)到外層軌道，發(fā)射速度應(yīng)該比7.9km/s大還是小呢？11．發(fā)射速度：；運(yùn)動(dòng)速度（環(huán)繞速度）。1212341234②假設(shè)某衛(wèi)星正在地面附近繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度是7.9km/s。現(xiàn)要想該衛(wèi)星進(jìn)入外層軌道，如何操作？③在牛頓拋物設(shè)想中，當(dāng)拋出速度v滿足7.9km/s<v<11.2km/s時(shí)，物體做什么運(yùn)動(dòng)？13．第一宇宙速度是（“最大”或“最小”）的環(huán)繞速度，同時(shí)也是的發(fā)射速度。14．什么是同步衛(wèi)星？同步衛(wèi)星有哪些特點(diǎn)？幾顆同步衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)全球通信？五、典型例題【例1】是否可以發(fā)射一顆這樣的人造衛(wèi)星，使其圓軌道()A.與地球表面上某一緯度線(非赤道)是共面的同心圓B.與地球表面上某一經(jīng)度線所決定的圓是共面的同心圓C．與地球表面上赤道線是共面的同心圓，且衛(wèi)星相對(duì)地球表面是靜止的D.與地球表面上的赤道線是共面的同心圓，但衛(wèi)星相對(duì)地球是運(yùn)動(dòng)的【解析】人造衛(wèi)星飛行時(shí)，由于地球?qū)πl(wèi)星的引力作為它做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，而這個(gè)力的方向必定指向地心，故所有無動(dòng)力的衛(wèi)星其軌道圓的圓心一定要和地球的中心重合，故A是錯(cuò)的。由于地球同時(shí)繞著地軸在自轉(zhuǎn)，所以衛(wèi)星的軌道平面也不可能和經(jīng)度線所決定的平面共面，所以B也是不對(duì)的。同步衛(wèi)星必須在赤道線平面內(nèi)，距地面有確定的高度，低于或高于該高度的人造衛(wèi)星也是可以在赤道平面內(nèi)相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)。【答案】CD【類題總結(jié)】(1)人造衛(wèi)星的軌道一般有三種：赤道軌道，極地軌道，一般軌道。共同特點(diǎn)是軌道中心必須和地心重合。(2)事實(shí)上大約三萬(wàn)六千公里高空的赤道軌道上只有和地球自轉(zhuǎn)方向相同的衛(wèi)星才能稱之為同步衛(wèi)星，如果轉(zhuǎn)向正好與地球自轉(zhuǎn)方向相反，就不能稱其為地球同步衛(wèi)星了?！纠?】宇宙飛船和空間站在同一軌道上運(yùn)動(dòng)，若飛船想與前面的空間站對(duì)接，飛船為了追上軌道空間站，可采取的方法是()A.飛船加速直到追上空間站，完成對(duì)接B.飛船從原軌道減速至一個(gè)較低軌道，再加速追上空間站完成對(duì)接C.飛船加速至一個(gè)較高軌道再減速追上空間站完成對(duì)接D.無論飛船如何采取何種措施，均不能與空間站對(duì)接【解析】由于宇宙飛船做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是地球?qū)ζ涫┘拥娜f(wàn)有引力，由牛頓第二定律有GMmR2=圖7-5-1圖7-5-1想追上同軌道上的空間站，直接加速會(huì)導(dǎo)致飛船軌道半徑增大，由上式知飛船在一個(gè)新軌道上運(yùn)行的速度比空間站的速度小，無法對(duì)接，故A錯(cuò)；飛船若先減速，它的軌道半徑減小，但速度增大了，故在低軌道上飛船可接近或超過空間站，如圖所示，當(dāng)飛船運(yùn)動(dòng)到合適的位置后再加速，則其軌道半徑增大，同時(shí)速度減小，當(dāng)剛好運(yùn)動(dòng)到空間站所在軌道時(shí)停止加速，則飛船的速度剛好等于空間站的速度，可完成對(duì)接；若飛船先加速到一個(gè)較高軌道，其速度小于空間站速度，此時(shí)空間站比飛船運(yùn)動(dòng)快，當(dāng)二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)一周后，使飛船減速，軌道半徑減小又使飛船速度增大，仍可追上空間站，但這種方法易造成飛船與空間站碰撞，不是最好辦法，且空間站追飛船不合題意，綜上所述，方法應(yīng)選B。【答案】B【類題總結(jié)】使飛船加速，飛船將遠(yuǎn)離地球，軌道半徑增大，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)的功全部用于克服飛船遠(yuǎn)離地球時(shí)萬(wàn)有引力做功，而且飛船原來的動(dòng)能一部分也要轉(zhuǎn)化為克服萬(wàn)有引力做功，即轉(zhuǎn)化為飛船的重力勢(shì)能，故v減??；反之使飛船減速時(shí)，飛船軌道半徑減小，其動(dòng)能反而增大，先減速可使飛船比空間站運(yùn)動(dòng)快，故可在適當(dāng)位置再加速，使速度在飛船軌道半徑增大時(shí)減小，可追上空間站，先加速再減速時(shí)，空間站追飛船，雖也可對(duì)接，但不合題意。【例3】假設(shè)地球的質(zhì)量不變，而地球的半徑增大到原來的半徑的2倍，那么從地球發(fā)射人造衛(wèi)星的第一宇宙速度的大小應(yīng)為原來的倍。【解析】因第一宇宙速度即為地球的近地衛(wèi)星的線速度，此時(shí)衛(wèi)星的軌道半徑近似地認(rèn)為是地球的半徑，且地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力充當(dāng)向心力。故有公式GMm/R2=mv2/R【答案】1【類題總結(jié)】第一宇宙速度是衛(wèi)星近地飛行的速度，其軌道半徑與地球的半徑相同。萬(wàn)有引力提供其做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力?！纠?】登月飛行器關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后在離月球表面112km的空中沿圓形軌道繞月球飛行，周期是。已知月球半徑是1740km，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算朋球的平均密度。G=×10-11N·m2/kg2)【解析】萬(wàn)有引力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律有G從上式中消去飛行器質(zhì)量m后可解得M=7.2×根據(jù)密度公式有：ρ【答案】3.26【類題總結(jié)】(1)要計(jì)算月球的平均密度，首先應(yīng)求出質(zhì)量M。飛行器繞月球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是由月球?qū)λ娜f(wàn)有引力提供的。六、課堂練習(xí)1.人造地球衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其速度是下列的（）A．一定等于7.9km/sB．等于或小于7.9km/sC．一定大于7.9km/sD．介于～11.2km/s之間2.人造衛(wèi)星以地心為圓心，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是（）A.半徑越大，速度越小，周期越小B.半徑越大，速度越小，周期越大C.所有衛(wèi)星的速度均是相同的，與半徑無關(guān)D.所有衛(wèi)星的角速度均是相同的，與半徑無關(guān)3.在地球(看作質(zhì)量均勻分布的球體)上空有許多同步衛(wèi)星,下面說法中正確的是()A.它們的質(zhì)量可能不同B.它們的速度的大小可能不同C.它們的向心加速度的大小可能不同D.它們離地心的距離可能不同4.可以發(fā)射一顆這樣的人造地球衛(wèi)星，使其圓軌道()A．與地球表面上某一緯線(非赤道)是共面的同心圓B．與地球表面上某一經(jīng)線所決定的圓是共面的同心圓C．與地球表面上的赤道線是共面的同心圓，且衛(wèi)星相對(duì)地球表面是靜止的D．與地球表面上的赤道線是共面的同心圓，但衛(wèi)星相對(duì)地球表面是運(yùn)動(dòng)的5.關(guān)于人造地球衛(wèi)星及其中物體的超重和失重問題，下列說法正確的是：（）A.在發(fā)射過程中向上加速時(shí)產(chǎn)生超重現(xiàn)象B.在降落過程中向下減速時(shí)產(chǎn)生超重現(xiàn)象C.進(jìn)入軌道時(shí)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生完全失重現(xiàn)象，但仍受重力作用D.失重是由于地球?qū)πl(wèi)星內(nèi)物體的作用力減小而引起的6.2003年10月15日北京時(shí)間9時(shí)整，我國(guó)“神舟”五號(hào)飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，10min后“神舟”五號(hào)飛船準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。截至10月16日零點(diǎn)，“神舟”五號(hào)載人飛船已按預(yù)定軌道(視為圓軌道)環(huán)繞地球10圈。若地球質(zhì)量、半徑和引力常量G均已知，根據(jù)以上數(shù)據(jù)資料可估算出“神舟”五號(hào)飛船的（）A．離地高度B．環(huán)繞速度C．發(fā)射速度D．向心力7.關(guān)于第一宇宙的速度，下面說法錯(cuò)誤的是（）A．它是人造地球衛(wèi)星繞地球飛行的最小速度B．它是人造地球衛(wèi)星在近地圓軌道上的運(yùn)行速度C．它是能使衛(wèi)星進(jìn)入近地圓形軌道的最小發(fā)射速度D．它是衛(wèi)星在橢圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)近地點(diǎn)的速度8.“嫦娥一導(dǎo)奔月”示意圖如右圖所示，衛(wèi)星發(fā)射后通過自帶的小型火箭多次變軌，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終被月球引力捕獲，成為繞月衛(wèi)星，并開展對(duì)月球的探測(cè)，下列說法正確的是A．發(fā)射“嫦娥一號(hào)”的速度必須達(dá)到第三宇宙速度B．在繞月圓軌道上，衛(wèi)星周期與衛(wèi)星質(zhì)量有關(guān)C．衛(wèi)星受月球的引力與它到月球中心距離的平方成反比D．在繞月軌道上，衛(wèi)星受地球的引力大于受月球的引力9.已知地球的半徑是R，自轉(zhuǎn)的角速度是ω，地球表面的重力加速度是g，則一顆地球同步衛(wèi)星距地面的高度____________。（用以上三個(gè)量表示）10.一顆人造衛(wèi)星在